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(출처:네이버 지식인 편집)
저단기어는 기어비가 커서 고단기어로 달리는 속도를 내려면 보다 높은 rpm을 쓰게 됩니다.
예를 들어 5단 2000rpm으로 달리다가 4단으로 내리면 2500rpm이 되듯이 말이죠.
정답은 기어비에 있습니다.
기어가 올라갈수록 기어비는 낮아집니다.
또한 기어비가 클수록 큰 힘을 내지만 속도는 떨어지고 기어비가 작을수록
힘은 떨어지지만 더 높은 속도를 내죠.
쉽게 자전거의 기어를 보시면 이해가 빠르실겁니다.
자전거의 기어를 보면 큰 기어부터 작은 기어까지 있죠.
여기서 큰 기어를 1단으로 보시면 됩니다.
큰 기어에 놓고 패달을 밟으면 속력은 빠르지 않지만 적은 힘으로도
언덕을 쉽게 올라갈 수 있죠.
반대로 작은 기어로 놓으면 속력은 빨라지지만 언덕을 올라가려면
많은 힘이 필요하죠.
마찬가지입니다.
엔진의 힘으로 일정한 크기의 기어를 돌리죠.
그 기어에 어떤 기어가 맞물리냐에 따라서 차이가 나느 것입니다. (출저:네이버 지식인)
오르막길에서 자동차 기어를 저단으로 하는 이유
크게 두가지 측면으로 설명할 수 있겠습니다.
자전거를 예로 들면요,
사람이 페달을 밟음으로써 토크가 발생합니다.
토크 = (발로 누른 힘) * (페달의 길이)
이렇게 발생한 토크는 전방 기어의 체인에 의하여 후방 기어로 전달됩니다.
저단 기어는 반지름이 큰 기어이고, 고단 기어는 반지름이 작은 기어입니다.
체인에 의하여 전달된 힘은 기어의 접선 방향으로 힘을 가하게 되므로, 후방 기어에 토크가 발생하게 됩니다.
토크는 힘 * 거리(반지름)이기 때문에 동일한 크기의 힘을 가했다면, 반지름이 큰 것일 수록 토크가 커지게 됩니다.
따라서, 저단 기어일수록 반지름이 크기 때문에 동일한 힘을 가했을 때, 토크가 커지게 되죠. 큰 토크를 이용하여 오르막길을 올라가는 겁니다.
두번째로 님이 작성하신 굴림운동의 측면에서 살펴보면요..
에너지 = 병진 에너지 + 회전 에너지가 됩니다.
즉, 동일한 에너지를 가했을 때, 병진 에너지가 많으면 회전은 적게 하되 고속으로 진행하는 것이구요, 병진 에너지가 적으면 저속으로 진행하되 회전을 많이 합니다.
이것은, 직구와 커브볼을 생각해도 됩니다. 똑같은 힘으로 던져도, 직구는 회전을 거의 안하기 때문에 고속으로 직진을 하죠 즉, 병진에너지가 크고 회전에너지가 작은 것입니다. 반면에, 커브볼은 속도는 느리지만 회전을 많이하죠, 즉, 병진에너지가 작고 회전에너지가 큰 것입니다.
자동차도 마찬가지입니다. 저단 기어의 경우, 회전에너지가 크기 때문에(그래서 오르막길을 올라갈 수가 있죠.) 병진 에너지는 작은 편입니다. 따라서, 저단 기어로 고속운전을 할 수는 없는 것이죠.
반면에, 고단 기어의 경우, 회전에너지는 작은 반면 병진 에너지는 큰 편입니다. 따라서 고속 운전이 가능한 것입니다.
저단 기어의 경우, 왜 회전에너지가 크냐면요....
님의 공식에서 I는 관성 모멘트라는 것입니다.
일반적으로 관성 모멘트 I = mR^2으로 표현됩니다. 즉, 반지름의 제곱에 비례하죠.
그런데, 앞서 말했듯이 저단기어는 반지름이 크기 때문에 관성 모멘트가 큽니다.
따라서, 회전 에너지(1/2 I w^2)가 커지는 것이죠.
정리하자면,
1) 동일한 힘을 가한 경우, 저단 기어는 반지름이 크기 때문에 더 큰 토크가 발생한다. 따라서 오르막길을 올라갈 수 있다.
2) 동일한 에너지를 가했을 경우, 저단 기어는 회전 에너지가 크기 때문에 병진 에너지는 작다. 따라서 회전은 잘하고(오르막길), 속도는 낮다
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