구름저항

썰매를 얼음판 위에서 끌 때는 바닥과 썰매 날이 직접 비벼지며 미끄럼 마찰이 생겨요. 하지만 바퀴는 바닥을 차례대로 딛으며 회전하기 때문에 표면을 거칠게 긁어내며 미끄러지지 않아요.

그런데도 평지에서 굴러가던 자전거나 자동차는 페달이나 가속 페달을 밟지 않으면 결국 서서히 멈춰 서요. 맞바람에 의한 공기저항을 빼고 보더라도, 바퀴가 굴러가는 동작 자체를 가로막는 보이지 않는 방해꾼이 존재하기 때문이에요.

이 방해꾼은 물체가 미끄러지지 못하도록 붙잡는 일반적인 마찰력과는 성격이 달라요. 바퀴가 미끄러지지 않고 온전히 굴러가고 있어도 늘 나타나요. 바퀴와 바닥이 맞닿는 자리에서 일어나는 바퀴와 바닥의 미세한 변형 때문에 생기는 힘이며, 이를 물리학에서는 구름저항이라고 불러요.

자전거를 타고 달릴 때 바퀴와 바닥이 만나는 자리를 자세히 들여다보면 고무가 무게에 눌려 납작하게 찌그러져요. 바퀴가 앞으로 계속 구르면 눌렸던 뒷자리는 원래 둥근 모양으로 펴지고, 새롭게 닿는 앞자리가 다시 찌그러지죠.

물체는 눌릴 때 에너지를 흡수하고 다시 펴질 때 에너지를 바깥으로 밀어내요. 하지만 고무나 바닥 같은 물질은 원래대로 회복될 때 처음에 들어간 에너지를 전부 돌려주지 못해요. 그 손실된 힘이 열에너지로 변해 흩어지는 손실로 이어져요.

바퀴 앞부분을 찌그러뜨리는 데는 많은 힘이 들어가는데, 뒤쪽에서 다시 펴지며 밀어주는 힘은 그보다 작아요. 이 힘의 불균형 때문에 굴러가는 반대 방향으로 저항이 만들어져요. 공기압이 빠진 자전거를 탈 때 페달이 유난히 무거운 이유도 타이어가 심하게 찌그러지면서 에너지를 낭비하기 때문이에요.

조금 더 정확히 말하면 구름저항은 바퀴 재질뿐만 아니라 달리는 바닥의 단단함과 고르기에 따라서도 크게 달라져요. 평평한 강철 레일 위를 달리는 기차 쇠바퀴는 거의 찌그러지지 않아서, 우리가 타는 탈것 가운데 구름저항이 아주 작은 축에 들어요.

하지만 우리가 일상에서 만나는 아스팔트나 흙길은 미세한 돌기와 요철로 가득해요. 만약 일반 도로에서 딱딱한 쇠바퀴를 쓴다면 거친 노면에 부딪힐 때마다 바퀴와 차체가 위아래로 심하게 덜컹거리며 튀어 오르게 돼요.

이때 공기를 채운 고무 타이어는 울퉁불퉁한 지면의 굴곡을 유연하게 삼키며 통과해요. 타이어가 찌그러지며 약간의 에너지를 잃더라도, 차체 전체가 튀어 오르며 생기는 에너지 손실을 줄여주는 셈이에요. 이 손실은 타이어 변형으로 생기는 좁은 뜻의 구름저항과 따로 구분하기도 해요. 결국 도로 사정에 맞춘 적절한 공기압과 유연성의 균형이 전체 에너지 손실을 줄이는 열쇠예요.