3단 기어 자전거가 출현한 지는 불과 몇 년 전입니다.

보통 자전거에 3단 기어가 장착되어 산비탈을 오르 내릴 수 있습니다. 직접 타 보지는 않았지만 급경사진 산길을 오르는 자전거를 보았습니다.

이 자전거가 어떻게 동력을 얻어 기계에너지를 회전에너지로 변환시키는 원리를 충분히 이해를 한다면, 4 바퀴로 굴러가는 자동차를 비롯하여 기차, 비행기, 산업용 기계의 작동원리, 공장자동화 등 기계, 전기, 전자에 의해서 움직이는 가정용 전자제품들과 산업용 기계들이 어떻게 작동하는지를 쉽게 파악할 수 있습니다.

스프로켓(sprocket)은 스프링(spring)처럼 가벼우면서 탄력있게 로켓(rocket)처럼 멀리 날아간다는 뜻입니다.

처음 자전거를 설계를 할 때, 어떻게 2 개의 바퀴를 구르게 하느냐?. 그러려면 2개를 연결해야 된다. 그리고 가벼워야 한다. 이런 여러가지 조건들을 염두에 두고서 설계도를 그립니다.

체인(chain)은 조그만 쇠고리를 한 줄로 연결한 것입니다. 쇠사슬이라고 하죠. 공장에서 사용하는 바퀴는 쇠로 만들어진 것입니다. 때문에 체인을 사용하는 것입니다.

자전거 뒷바퀴  중앙에 조그만 축이 설치되어 있습니다. 이 축을 중심으로 사슬 20여개가 엇갈리게 바퀴둘레와 연결되어 있습니다. 이들이 바퀴가 찌그러지는 현상을 방지 합니다.

앞 바퀴도 중앙에 축이 있고, 이 축을 중심으로 뒷 바퀴 처럼 사슬 20여개가 바퀴둘레와 연결되어 있습니다. 이래서 바퀴가 가벼워지는 것입니다. 앞 바퀴는 운전용입니다.

이 뒷바퀴 축에 사슬톱니바퀴가 같이 설치되어 있습니다. 그리고 앞 바퀴와 뒷 바퀴 중간에 마찰차를 설치하여, 뒷 바퀴에 있는 사슬톱니바퀴(sprocket wheel)를 롤러 체인(roller chain)으로 연결합니다.

마찰차가 뒷바퀴의 사슬톱니바퀴보다 큽니다. 마찰차의 축을 종동축이라하고, 뒷바퀴의 축을 원동축이라고 합니다. 즉 뒷바퀴가 동력을 만들어 내는 근원이다라는 말입니다. 

뒷 바퀴의 스프로킷 휠(sprocket wheel)에서 만들어진 동력을 전달하면, 마찰차는 이 동력을 전달받아서 기계 에너지를 회전 에너지로 변환합니다.  전달 방법은 체인을 스프로킷 휠에 걸어 감아서 체인과 휠의 이가 서로 물리는 힘으로 동력을 전달합니다. 바로 이곳이 핵심입니다.

완성된 2개의 자전거 바퀴를 일컬어서 기계에너지를 가지고 있다고 표현합니다. 2개의 바퀴를 굴러가게하는 마찰차를 중간에 설치하여 페달(pedal)을 움직여서 동력을 만드는 것입니다. 즉 굴러가게 만든다는 것입니다. 그럼 2개의 바퀴가 구를게 아닙니까?. 이 글러가는 모습을 회전 에너지라고 하는 것입니다. 그러니까 처음 기계 에너지가 회전 에너지로 변환한 것이지요.

자전거도 자동차처럼 1단, 2단 기어를 만들어서 산비탈을 오르내립니다. 자전거 뒷바퀴에 설치된 사슬톱니바퀴(sprocket wheel)의 크기를 3 종류로 만듭니다. 1단은 조그맣게,  2단은 1 단보다 크게, 3단은 2단보다 좀 크게 만들어서 장착합니다. 이 처럼 자전거의 속도 변환원리가 자동차의 그것과 똑 같습니다.

자전거의 기능에 맟춰서 필요한 기계부품, 즉 기계요소들을 설계하여 제작합니다. 모든 산업용 기계들도 처음 목표에 맞춰서 기계의 기능을 설계하고, 이에 필요한 각종 기계요소들을 제작한다.

즉 처음부터 공장자동화를 목표로 한다든가, 아니면 무엇을 찍어낸다는 목표를 세운 다음에 설계도를 작성하여 기계와 이에 필요한 기계요소들을 제작한다.

그렇찮습니까?. 무엇을 만들지 어떻게 알고 필요한 부품을 시중에서 사오겠습니까?.

전동장치는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환시키는 장치입니다.

자전거의 작동원리를  모방하여 만든 것이 자동차입니다. 2 개의 바퀴가 작동하는 원리는 같습니다. 자전거 바퀴는 사슬로 되어 있고 자동차 바퀴는 쇠로 되어 있다는 것이 다릅니다.  저의 이 주장이 얼른 이해가 안되는 분이 계실 것입니다.

수동으로 움직이는 자건거 바퀴를 한 단계 업그레이드 시켜 놓은 기술이 바로 자동으로 움직이는 오토바이입니다. 오토바이의 작동 원리와 자동차의 그것이 다르다고 생각하십니까?.