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아이작 뉴턴의 물리법칙과
경량화

Isaac Newton

물리학에서 ‘임페투스(Impetus)’는 물체의 운동을 나타내는 값의 일종으로, 운동량의 원시적 개념을 뜻한다.
12세기 중엽에 등장했지만 주목받지 못하다가 갈릴레오 갈릴레이(1564~1642)가 17세기 초 관성의 개념을 완성하고 실험을
통해 입증했다. 그리고 이런 물리적 운동의 법칙을 집대성한 인물이 바로 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)이다.

편집실   일러스트 임성구

아이작 뉴턴

아이작 뉴턴
Isaac Newton, 1642~1727
만유인력의 법칙을 발견한 과학 혁명의 완성자로,
뉴턴역학 체계를 확립했다. 관성의 법칙, 힘과 가속도의 법칙,
작용-반작용의 법칙을 결합해 행성의 타원 운동은 물론 지상계와
천상계의 여러 운동을 수학적으로 설명했다.

아이작 뉴턴의 세 가지 물리법칙

‘근대 물리학의 아버지’로 불리는 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)의 업적은 뚜렷하다. ‘모든 물체는 서로 끌어당긴다’는 만유인력의 법칙을 수학적으로 정립했는데, 사과가 나무에서 떨어지는 것을 보고 깨달음을 얻어 ‘사과’ 하면 ‘뉴턴’을 떠올리는 사람도 적지 않다.

뉴턴의 여러 업적 가운데 물리법칙은 고전 역학의 기본으로 크게 세 가지를 다룬다. 첫째는 ‘관성의 법칙’이다. 자동차가 주행하다 갑자기 제동을 하면 몸이 앞으로 쏠리는 경우가 대표적이다. 사람이 자동차에 타고 있는 게 아니라 자동차 속도와 동일하게 이동하는 탓이다.

두 번째는 ‘가속도의 법칙’이다. 움직이는 물체에 힘을 더하면 속도가 빨라지기 마련인데, 정지 상태에서 30㎞/h로 높이는 것과 70㎞/h→100㎞/h 올리는 것에 차이가 있다는 뜻이다. 둘 모두 똑같이 시속 30㎞만큼 올리지만 70㎞/h에서 100㎞/h로 끌어올릴 때의 힘이 적게 들어가는 이유는 ‘가속도’ 때문이다. 그리고 마지막 세 번째는 ‘작용과 반작용의 법칙’이다. 대표적으로 비행기의 추력(推力)을 들 수 있다. 엔진이 강력한 힘을 뒤로 뿜어내면 그 힘이 비행기를 밀어 움직이는 원리다.

I s a a c N e w t o n

물체의 힘과 지구의 중력을 연결해 물리법칙 입증

이 같은 뉴턴의 물리법칙을 언급하는 이유는 바로 무게(Weight) 때문이다. 움직이는 모든 물체는 무게에 따라 그 움직임의 성향이 달라진다는 개념을 정립시킨 인물이 아이작 뉴턴이다. 물론 그 이전에도 무게의 개념은 있었지만 물체의 힘과 지구의 중력을 연결해 법칙을 입증한 것이 뉴턴이기에 그는 물리학의 아버지가 됐다.

물리법칙에 따르면 움직이는 물체에 있어 무게는 효율에 별다른 도움이 되지 못한다. 무거울수록 움직일 때 많은 힘이 필요하고, 그 힘(동력)을 만들어내기 위해선 또 다른 에너지가 다량 투입되는 것이 불가능하다. 무거운 차체를 민첩하게 움직이려면 화석연료를 많이 태워 동력을 얻어야 하고, 이 경우 불필요한 오염물질 배출이 늘어 결과적으로 환경에 이롭지 못하다.

그래서 자동차 역사 초창기부터 어떻게든 움직임의 성능을 높이기 위해 다양한 분야의 과학기술자들은 무게를 줄이기 위해 고심해왔다.
무게를 줄이면 마찰력 또한 떨어져 적은 힘으로도 운동량을 늘릴 수 있기 때문이다.

제5의 에너지, 효율 높이기의 시작은 경량화

이 가운데 주목받는 소재가 ‘탄소섬유(Carbon Fiber)’다. 19세기말 에디슨이 백열전구용
탄소 필라멘트를 발명한 것이 탄소섬유를 알린 계기였다면 산업 재료로 활용된 것은 1959년
생산된 ‘GPCF(General Purpose Carbon Fiber)’의 등장이었다. 그러나 시작은 1860년 세계
최초로 백열등을 개발해 가정과 공공건물에 적용했던 영국의 물리ㆍ화학자였던 조셉 윌슨
스완(Joseph Wilson Swan)이었다.

제5의 에너지, 효율 높이기의 시작은 경량화

적은 연료로 주행거리를 늘리려는 노력은 자동차 회사의 숙명과도 같다. 에너지 가격이 결코 폭락하지 않는 한, 설령 내려간다 해도 비용을 줄이려는 소비자들의 욕구는 끊이지 않기 때문이다. 그래서 효율에 대한 집착은 광적이다. 엔진 내 연소율을 높이고, 배출가스 정화장치의 기능을 두 배로 늘려도 경량화가 수반되지 않으면 결코 획기적인 효율 향상을 얻어내기 어렵다. 그래서 경량화는 선택이 아닌 필수가 된 지 오래다.

흔히 자동차 효율 높이기는 전처리, 처리, 후처리 세 가지 방법이 동원된다. 이 가운데 ‘처리’는 타지 않고 나오는 배출가스 감소를 의미하며, 후처리는 배출가스를 무해한 가스로 바꿔주거나 유해가스를 걸러주는 정화 기술을 의미한다. 디젤엔진에 적극 사용되는 매연여과장치(DPF)가 대표적이다. 둘의 공통점은 고난도 기술이 필요하다는 점이다.

반면 전처리 과정의 핵심인 무게 줄이기, 즉 경량화는 소재와 설계 변경으로 얼마든지 쉽게 이뤄낼 수 있는 분야다. 차체를 알루미늄 또는 플라스틱으로 바꾸는 제조사가 점차 늘어나는 이유도 감량을 통한 효율 증대 때문이다.

이 가운데 주목받는 소재가 ‘탄소섬유(Carbon Fiber)’다.
19세기 말 에디슨이 백열전구용 탄소 필라멘트를 발명한 것이 탄소섬유를 알린 계기였다면 산업 재료로 활용된 것은 1959년 생산된 ‘GPCF(General Purpose Carbon Fiber)’의 등장이었다. 그러나 시작은 1860년 세계 최초로 백열등을 개발해 가정과 공공건물에 적용했던 영국의 물리ㆍ화학자였던 조셉 윌슨스완(Joseph Wilson Swan)이었다. 그는 에디슨의 대나무 숯 필라멘트 발견을 촉진시킨 인물로, 과학사에서 입지적 인물로 평가받고 있다. 탄소섬유는 1960년대 이후 항공과 군수산업의 내열성 소재로 주목받으며 산업재로 활용돼 지금에 이르고 있다.

바이 와이어 시스템 적용

그러나 경량화가 차체에만 국한되는 것은 결코 아니다. 흔히 말하는 ‘바이 와이어(by Wire)’의 적용 범위에 제한이 없어서다. ‘와이어(Wire)’의 사전적 의미는 전류가 흘러가는 전선이다. 따라서 바이 와이어는 전선으로 연결돼 작동하는 것을 말하며, 자동차에서 사용되면 ‘드라이브 바이 와이어(Drive by-Wire)’로 부른다.

바이 와이어는 다양한 부품 연결 시스템의 통칭이다. 그래서 스티어링 시스템에 사용되면 ‘스티어링 바이 와이어’, 가감속 페달에 적용되면 ‘페달 바이 와이어’로 부른다. 예를 들어 가속페달을 밟으면 케이블이 당겨지면서 공기가 유입되는 스로틀 밸브가 열린다. 그러나 요즘은 가속페달을 밟으면 눌러진 힘이 정확히 측정된 뒤 전선을 통해 스로틀 센서에 신호가 전달된다. 스로틀 센서는 정보를 받아 공기 유입 밸브를 열게 되고, 동시에 필요한 만큼 연료가 분사돼 엔진이 작동한다.

최근 바이 와이어 시스템이 활발하게 사용되는 분야는 변속기다. 변속할 때 버튼 하나만 누르거나 조금만 신호를 주면 주차(P), 후진(R), 주행(D) 등으로 바뀌는 형식이다. 덕분에 변속기 무게를 많이 줄일 수 있다. 게다가 ‘시프트 바이 와이어’는 컴퓨터로 변속을 제어한다는 점에서 흔들림이나 변속 충격도 크게 덜 수 있다. 동력전달 능력도 향상돼 연료효율이 높아지는 일석삼조(一石三鳥)의 도움을 준다.

경량화를 위한 신기술, 알루미늄 케이블 등장해

‘바이 와이어’가 확대되면 그만큼 전선 사용이 늘어나게 된다. 무게를 줄이기 위해 다른 부품의 중량이 증가하는 부담이 생긴다는 의미다. 이것이 경량화를 위한 신기술로 알루미늄 케이블이 등장한 배경이다. 이처럼 차체 무게를 줄이기 위해 철에서 알루미늄 비중이 높아지는 것처럼 신경망(전선망)도 구리에서 알루미늄 전환이 점차 확산되고 있다.

일반적으로 자동차 한 대에 들어가는 전선은 길이가 수 ㎞에 달한다. 대형 세단은 전선 무게만 40㎏를 넘기도 한다. 전장화가 가속화되면서 전선 사용량 역시 가파르게 확대돼 전선도 경량화 대상으로 떠올랐다. 그중에서도 알루미늄은 이미 자동차 경량화에 혁혁한 공을 세웠다. 차체부터 엔진룸 등 각종 부품에 이르기까지 적용 범위도 넓다. 아우디와 재규어 랜드로버는 이미 알루미늄 합금 소재 차체로 무게를 400㎏이나 줄였다. 단위 부피당 무게를 나타내는 비중이 알루미늄은 2.7, 철이 7.87, 구리는 8.92다. 같은 부피라면 알루미늄 무게가 철의 절반 정도이고, 구리의 30%에 불과하다.

알루미늄 전선은 고효율 자동차일수록 적용 범위가 넓다. 토요타는 하이브리드카 아쿠아에 알루미늄 전선을 넣어 공차 중량을 1,080㎏에 묶었다. 경량화를 위한 여러 노력에 알루미늄 전선 적용이 제 몫을 한 셈이다.

물론 자동차 혈관(전선)뿐 아니라 줄여야 하는 대상은 한두 가지가 아니다. 타이어도 마찰 저항을 줄인 고효율 타이어가 등장했고, 스티어링 시스템도 전선과 모터가 연결된 구조로 빠르게 변해가는 중이다. <2030 에너지전쟁>의 저자 대니얼 예긴 교수가 주장한 제5의 에너지, 연료 효율이 석유 탐사보다 더 중요하게 부각되는 시대가 도래한 셈이다.

경량화는 선택 아닌 필수

재질 변경에 따른 가격 부담을 대신해 완성차 및 부품 업체들이 고심하는 또 하나는 부품의 소형화다. 동일한 기능을 수행하되 부피를 줄이면 그만큼 무게를 줄일 수 있어서다. 여러 복잡한 기계적 장치로 연결된 부분을 전동식으로 바꾸면 부품의 부피를 줄일 수 있는 점에 착안한 노력이다.

현대모비스가 개발한 전동식 파워스티어링(MDPS)이 대표적이다. 기존 유압식에 비해 무게가 5㎏이나 줄었다. 자동차 고급화를 추구하면서 1㎏ 감량도 쉽지 않은 상황에서 5㎏이면 100㎏의 거구가 10㎏을 줄인 것과 동일한 효과가 있다. 비만인 사람이 몸무게를 줄이면 관절의 부담이 줄고, 각종 대사 질환 가능성이 낮아지는 것처럼 자동차도 엔진이 감당해야 할 부담이 줄면ℓ당 주행효율이 오르고, 배출가스는 줄어들 수밖에 없다. 더군다나 동력 부담의 절감은 곧 부품 내구의 향상으로 이어져 전반적인 완성차 품질 확보에도 기여하게 된다.

조셉 윌슨 스완

조셉 윌슨 스완
Joseph Wilson Swan, 1828~1914
영국의 화학자이자 물리학자로, 1864년에 사진 인화에서 탄소처리법으로
특허를 받았으며, 건판방식(1871)과 브롬 종이(1879)를 만들었다. 또한 에디슨보다
20년앞선 1860년에 전등을 발명하였으며, 세계 최초로 실용성 있는 인견(人絹)을
만들어내기도 했다.

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