두발자전거 타기

겉으로는 쉬워 보이지만 자전거를 타는 원리는 그렇게 간단하지 않다. 바퀴가 4개나 3개가 아닌 2개만 가진 자전거는 타기에 쉬워 보이지 않는다. 그러나 막상 자전거를 타고 달려 보면 꽤 안정적으로 달릴 수 있다는 것을 알게 된다. 언젠가 한 과학자가 사람이 타지 않은 자전거를 그냥 밀어서 굴려 본 적이 있었다. 놀랍게도 그 자전거는 20초 이상 스스로 운동했다고 한다. 자전거를 타본 사람들이 가장 재미있게 느끼는 일이 있다. 그것은 바로 자전거가 쓰러지려고 할 때 핸들을 기울어지는 방향으로 틀어야 안 쓰러진다는 사실이다.
자전거를 처음 타는 대부분의 사람은 자전거가 한쪽으로 쓰러지려 할 때 반대 방향으로 핸들을 튼다. 물론 쓰러지지 않으려고 한 행동이지만 이런 경우 자전거는 여지없이 쓰러진다. 왜 이런 일이 생길까. 쓰러지려는 쪽으로 핸들을 돌리면 자전거는 그 방향으로 회전한다. 이 때 회전하는 자전거는 기울어지는 반대 방향으로 원심력을 받는다. 이 원심력에 의해 자전거는 다시 똑바로 설 수 있게 된다. 빠른 속도로 회전하는 물체는 원심력(원심력은 회전 반지름에 반비례하고 회전하는 속도의 제곱에 비례한다)을 받는다. 회전하는 차안에서 우리 몸이 회전의 바깥 방향으로 힘을 받는 것처럼 느끼는 것과 같다.

그러나 위의 이유만으로 자전거의 안정성을 설명하기에는 충분치 않다. 자전거가 빠른 속도로 회전을 할 때는 원심력으로 설명할 수 있지만 천천히 갈 때는 어떻게 설명할 수 있을까.
이 때는 무게 중심의 이동으로 설명할 수 있다. 자전거가 쓰러지는 것은 두바퀴가 땅에 닿는 2개의 점을 연결한 축을 중심으로 자전거 전체 무게가 평형을 이루지 못하기 때문이다. 이 축에 대해 오른쪽이 더 무거우면 자전거는 왼쪽으로 쓰러진다. 이 때 핸들을 어느 쪽으로 틀어야 할까. 이상하겠지만 핸들은 왼쪽으로 틀어야 한다. 자전거의 구조를 잘 살펴보면 핸들이 붙어있는 축은 앞바퀴 중심축보다 뒤쪽에 있다. 따라서 핸들을 왼쪽으로 돌리면 핸들 축이 앞바퀴와 지면이 닿는 지면보다 오른쪽으로 이동한다.
즉 사람이 앉는 위치가 무게중심축보다 오른쪽으로 이동하므로 무게가 오른쪽으로 쏠리게된다. 이 순간 자전거는 왼쪽으로 쓰러지려는 것을 극복하고 다시 평형을 이루게 된다.

자전거가 달리고 있을 때는 정지해 있을 때보다 평형을 잡기가 다소 쉽다. 여기에는 자이로스코프나 팽이가 회전하고 있을 때 잘 쓰러지지 않는 원리와 같다. 팽이와 같이 회전축을 갖고 도는 물체는 그 축과 같은 방향의 운동량을 갖고 있다. 이런 물리량은 회전 방향을 바꿀 수 있는 종류의 힘이 작용하지 않으면 보존된다.
이는 물체의 운동량 변화는 반드시 힘이 있어야 하는 것과 같은 원리다. 회전하고 있는 팽이에 작용하는 힘은 수직방향의 중력으로 회전 방향을 바꿀 수 있는 힘이 아니다. 따라서 회전축을 바꾸지 않으려는 관성을 갖게된다. 이를 물리 용어로는 '각운동량 보존 법칙'이라고 한다. 팽이가 회전하고 있을 때 팽이를 살짝 건드려도 팽이는 원래 회전하던 축을 유지하려고 약간의 세차운동을 한다. 이 때 회전하는 속력이 매우 크면 다시 정상적으로 회전하는 것을 볼 수 있다. 이 설명을 그대로 자전거 바퀴의 원운동에 적용할 수 있다. 자전거의 회전축이 관성을 갖고 변하지 않으려고 하기 때문에 작은 무게중심의 변화를 회전하는 바퀴 두쌍이 지탱해 주는 것이다.