자전거는 인류가 만든 가장 효율적인 이동 수단 중 하나로 오랫동안 자리매김해 왔습니다. 두 개의 바퀴, 체인, 스프라켓, 페달을 중심으로 한 구조는 19세기 후반 이후 크게 달라지지 않았습니다. 그러나 최근 기존의 틀을 벗어나 창의적인 메커니즘을 적용한 자전거들이 등장하면서 기계공학의 새로운 흐름을 만들어내고 있습니다.
이번 글에서는 기존 자전거의 구동 방식을 벗어나, 단순하면서도 창의적인 메커니즘으로 작동하는 독특하고 혁신적인 자전거의 작동 원리에 대해 살펴보고자 합니다.
우리가 일반적으로 떠올리는 자전거는 두 개의 바퀴를 중심으로, 페달–크랭크–체인–스프라켓–뒷바퀴로 이어지는 비교적 단순하고 직관적인 구조를 가지고 있습니다. 이 전통적인 메커니즘은 오랫동안 ‘효율성’과 ‘안정성’이라는 측면에서 검증된 구조이기 때문에, 그만큼 다양한 운동 방식이나 기구학적인 변화를 적용하기에는 한계를 가지고 있습니다.
그런 점에서, 우연히 페이스북에서 보게 된 자전거 영상은 무척 인상적이었습니다. 전통적인 체인 스프라켓 구동 방식이 아닌 전혀 다른 메커니즘을 기발하게 활용하고 있었기 때문입니다. 처음에는 그저 독특하다고 생각했지만, 영상을 유심히 보던 중 저도 모르게 중얼거리게 됐습니다.
“어? 이거 어디서 많이 보던 메커니즘인데...”
겉보기에는 평범한 자전거처럼 보이지만, 체인도 스프라켓도 없습니다. 대신에 단순한 구조의 링크와 레버 메커니즘이 사용자의 다리 움직임을 바퀴의 회전 운동으로 변환해주고 있습니다.
다음 영상을 자세히 살펴보면, 왼발과 오른발이 번갈아가며 왕복 운동을 하듯 페달을 밟기만 해도 뒷바퀴로 동력이 전달되어 회전운동이 발생하는 것을 알 수 있었습니다. 동력 전달 방식이 단순하면서도 독창적이었고, 최소한의 메커니즘으로 효과적인 운동을 만들어내는 점이 인상적입니다.
이 자전거의 작동 원리는 막대기 모양의 링크 4개가 서로 접촉해서 상대운동으로 모두 회전운동을 만들어내는 4절 크랭크 기구의 한 종류인 ‘레버 크랭크 기구’를 기반으로 합니다, 체인과 같은 복잡한 전달 장치 없이 단순히 기구학적인 구조만으로 사용자의 다리 운동을 바퀴의 회전력으로 변환시키는 방식입니다. 이처럼 기계요소의 수를 줄이면서도 원하는 운동 결과를 얻을 수 있다는 점에서 효율적이고도 독창적인 해법이라 할 수 있습니다.
링크 4개가 접촉하면서 상대운동으로 회전운동이나 미끄럼 운동을 하면서 구속된 기계적 운동을 하는 링크 기구를 4절 링크 기구라고 합니다.
4절 링크 기구 중에서 링크 4개가 상대운동으로 모두 회전운동을 하는 링크 기구를 4절 크랭크 기구라고 합니다.
4절 크랭크 기구의 종류에는 레버 크랭크 기구, 더블 크랭크 기구, 더블 레버 기구가 있습니다.
다음 이미지와 같이 레버 크랭크 기구를 구성하는 4개의 링크를 각각 초록색, 노란색, 빨간색, 회색의 기하학적인 선으로 구분해서 표시하면 그 구조를 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다. 이렇게 색상별로 링크를 시각화하면 각 부품의 길이, 모양, 역할, 운동 방향, 연결 관계 등이 명확히 드러나고 어떻게 작동하는지를 직관적으로 파악할 수 있습니다.
뒷바퀴의 중심부를 자세히 살펴보면, 회전운동에 적합한 원판 모양의 링크가 부착되어 있습니다. 이 원판은 레버 크랭크 기구에서 회전하는 링크, 즉 크랭크 역할을 합니다. 원판의 중심부와 편심부에는 각각 구멍이 있습니다.
빨간색 선은 이 원판의 중심과 편심 구멍을 서로 연결하는 직선으로 표시해서, 원판 크랭크의 회전축과 동력 전달점의 위치를 쉽게 파악할 수 있습니다.
노란색 선은 빨간색 크랭크와 초록색 레버를 연결하는 굽은 형태의 연결 링크를 나타냅니다.
초록색 선은 사용자 다리의 힘을 직접 전달하는 굽은 형태의 레버를 나타내며, 페달이 장착되어 실질적인 입력을 받는 부분입니다.
회색 선은 초록색 레버, 노란색 연결 링크, 빨간색 크랭크가 원활하게 움직일 수 있도록 지지해 주는 고정 링크로 자전거의 프레임을 나타냅니다.
다음은 퓨전360으로 표현한 레버 크랭크 기구의 작동 영상입니다.
초록색 링크(레버)가 왕복 원호 운동을 하면,
노란색 연결 링크의 평면운동에 의해 힘과 운동이 전달되고,
빨간색 링크(크랭크)는 회전운동을 합니다.
즉, 이 자전거의 구동부에는 다음 이미지와 같이 왕복 원호운동을 회전운동으로 변환하는 레버 크랭크 기구가 양쪽으로 두 개 장착되어 있으며, 빨간색 크랭크의 위치가 서로 180도 반대 방향(또는 90도 직각 방향)으로 배치되어 있을 것입니다. 이러한 구조 덕분에 왼발과 오른발이 번갈아 가며 페달을 밟는 동작만으로도 회전 동력이 연속적이고 안정적으로 뒷바퀴로 전달됩니다.
이번에 살펴본 독특하고 혁신적인 자전거 메커니즘은 단순히 바퀴를 다른 방식으로 돌리는 기술이라기보다, 자전거가 앞으로 어떻게 변할 수 있을지, 또한 어디까지 받아들일 수 있을지에 대한 새로운 가능성을 보여주는 좋은 사례라고 생각합니다.
무엇보다 체인과 스프라켓이 없이도 동력이 전달되는 단순한 구조는 고장이 적고, 유지보수도 쉽고, 제작도 간단해서 다양한 상황에서 여러 사용자들에게 유용한 자전거가 될 수 있습니다.
예를 들면, 페달 밟는 방식이 기존 자전거와는 전혀 다르다 보니, 자극되는 근육도 다르고 에너지 소비도 더 많아질 수 있기 때문에 단순한 이동 수단을 넘어, 운동기구로서의 가능성도 커질 것으로 생각합니다. 헬스장이나 피트니스 센터에 이런 자전거가 들어온다면, 분명 운동하는 재미와 운동 기구의 다양성 면에서도 사람들에게 좋은 반응을 얻을 것 같습니다.
이 자전거는 단순한 구조 안에서 창의적인 아이디어와 정교한 기술이 잘 어우러진 멋진 발명이라고 생각합니다. 자전거에 적용된 레버 크랭크 메커니즘은 겉으로 단순해 보이지만 우리가 생각하는 것보다 훨씬 더 깊고, 놀라운 가능성으로 확장될 수 있는 잠재력 품고 있습니다. 앞으로도 새로운 아이디어가 담긴 자전거들이 계속 나오고, 우리의 이동과 운동 방식을 더 재미있고 풍요롭게 변화시키는 계기가 되면 좋겠습니다.
참고로 안양천에 설치된 달리기 운동 기구도 레버 크랭크 기구를 활용하고 있습니다. 달리기 운동 기구에서 양쪽의 손을 잡는 부분이 부분이 자전거의 페달에 해당됩니다.
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