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바퀴

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목차

1. 개요

바퀴는 물건이나 사람을 효율적으로 이동시키는 데 사용되는 원형 구조물이다. 인류는 기원전 3500년경 메소포타미아에서 나무 바퀴를 처음 사용한 것으로 추정되며, 이후 전 세계로 퍼져나갔다. 바퀴의 발명은 도공의 바퀴, 바퀴살 바퀴, 공기 타이어의 발명으로 이어지며, 운송 수단 및 다양한 기계의 발전에 큰 영향을 미쳤다. 바퀴는 단순한 이동 수단을 넘어 문화적, 상징적인 의미를 지니며, 순환, 진보, 힘 등을 나타내는 상징으로 사용된다. 현대에는 자동차, 자전거, 항공기 등 다양한 운송 수단에 활용되며, 험한 지형에서는 무한궤도, 썰매, 보행 로봇 등 다른 형태의 이동 수단이 사용되기도 한다.

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바퀴
지도 정보
기본 정보
용도물체의 이동
재료나무
돌
뼈
금속
고무
플라스틱
복합재료
만들어진 시기기원전 3500년경 (추정)
사용 시기기원전 3500년경 ~ 현대
구조 및 작동 원리
구성 요소축
원형 몸체
작동 원리회전 운동
마찰력 감소
이동 효율 증가
역사
초기 사용수레, 물레 등
산업 혁명기계 부품, 운송 수단에 널리 사용
다양한 형태의 바퀴
종류톱니바퀴
고무바퀴
자전거 바퀴
자동차 바퀴
기차 바퀴
비행기 바퀴
특징크기
재질
디자인 다양
바퀴의 사회적 영향
운송물자 수송
여행
교통 시스템 발달
산업기계화 촉진
생산성 향상
기술 발전
문화스포츠 (경주)
예술 (조각)
기타
관련 용어차축
베어링
림
타이어
휠

2. 역사

바퀴의 발명과 초기 역사에 대해서는 여러 가지 설이 있지만, 누가 언제 처음으로 바퀴를 만들었는지는 정확하게 알려져 있지 않다. 현재까지 발견된 가장 오래된 바퀴는 기원전 3500년경 메소포타미아 유적에서 출토된 전차용 나무 바퀴이다.[3] 아메리카 토착민과 잉카 문명 원주민은 유럽인들이 전파하기 전까지 바퀴의 존재를 몰랐다고 알려져 있다.

고고학 유물들은 여러 지역에서 수 세기에 걸쳐 바퀴의 발달이 느리게 이루어졌음을 보여준다.[3] 메소포타미아 문명이 바퀴를 발명했다는 이야기는 여러 오래된 자료들에서 언급되지만,[4][5][6] 최근 자료들 중 일부는 바퀴가 메소포타미아와 동유럽에서 각각 독자적으로 발명되었거나, 선사 시대 동유럽인들이 바퀴를 발명했다고 제시한다.[7][8][9][10] 또한, 바퀴는 단일 발명가나 여러 발명가에게만 기인할 수 없다는 주장도 있다. 초기 바퀴 달린 수레의 증거는 중동, 유럽, 동유럽, 인도, 중국 전역에서 발견되었다.[11][12]

류블랴나 습지 바퀴와 축은 현재까지 발견된 가장 오래된 나무 바퀴로 구석기 시대(기원전 약 3130년)의 것이다.




무거운 절차의 단단한 바퀴와 그 앞쪽에 있는 가벼운 바퀴살 바퀴의 로드스터 자전거의 대조.




골동품 삼륜차의 세 개의 바퀴살 바퀴.


차륜의 역사


기원전 6500년~5100년의 할라프 문화는 때때로 가장 초기의 바퀴 달린 차량 묘사를 가진 것으로 여겨지지만, 할라프인들이 바퀴 달린 차량이나 도공의 바퀴를 사용했다는 증거는 없다.[13]

2. 1. 바퀴의 발전 과정

바퀴가 누가 언제 처음 만들었는지는 확실하지 않다. 현재까지 발견된 가장 오래된 바퀴는 기원전 3500년경 메소포타미아 유적에서 나온 전차용 나무 바퀴이다. 아메리카 토착민과 잉카 문명 원주민은 유럽인들이 전파하기 전까지 바퀴를 몰랐다고 알려져 있다.[3]

바퀴의 발전 과정은 다음과 같다.[3]

# 통나무를 그대로 잘라서 사용했다.

# 무게를 줄이기 위해 통나무에 구멍을 뚫었다.

# 바퀴살을 발명했다.

# 수명을 늘리기 위해 바퀴 바깥쪽에 철을 둘렀다.

# 철 대신 고무를 사용해 탄력을 높였다.

고고학 유물들은 여러 지역에서 수 세기에 걸쳐 바퀴가 느리게 발전했음을 보여준다.[3] 메소포타미아 문명이 바퀴를 발명했다는 이야기가 많지만,[4][5][6] 최근에는 메소포타미아와 동유럽에서 각각 독자적으로 발명되었거나, 선사 시대 동유럽인들이 먼저 발명했다는 주장도 있다.[7][8][9][10] 초기 바퀴 달린 수레의 증거는 중동, 유럽, 동유럽, 인도, 중국 등 여러 곳에서 발견되었다.[11][12]

기원전 6500년~5100년의 할라프 문화에서 바퀴 달린 차량이 처음 묘사되었다고도 하지만, 증거는 없다.[13] 도공의 바퀴는 기원전 4천년기에 중동에서 사용되기 시작했다.[14] 가장 오래된 도공의 바퀴는 기원전 약 3100년경 우르(오늘날의 이라크)에서 발견되었다.[15] 그러나 우크라이나 서부의 쿠쿠테니-트리필리아 문화 유적에서 발견된 도공의 바퀴는 기원전 5천년대 중반의 것으로, 메소포타미아보다 앞선다.[16][17][18][19][20][3] 기원전 4천년대 후반 인더스 문명에서도 바퀴가 발견되었는데, 연대는 불확실하다.[21]

바퀴 달린 운송 수단에 대한 가장 오래된 간접적인 증거는 기원전 4000년 이전에 흑해 북쪽에서 발견된 소형 점토 바퀴이다. 기원전 4천년대 중반부터는 유럽 전역에서 장난감 자동차, 그림, 바퀴 자국 형태로 증거가 발견된다.[22][23][24] 메소포타미아 우르크의 에안나 구역에서 발견된 점토판 상형 문자에 있는 바퀴 달린 마차 그림은 기원전 약 3500년~3350년으로 거슬러 올라간다.[25] 기원전 4천년대 후반에는 북쪽(마이콥 문화)과 남쪽 카우카수스 및 동유럽(쿠쿠테니-트리필리아 문화)에서 거의 동시에 바퀴 달린 차량의 증거가 나타났다.

기원전 3631년에서 3380년 사이에 남부 폴란드 깔때기잔 문화 유적에서 발굴된 브로노치세 점토 항아리에 바퀴 달린 차량 그림이 나타난다.[26] 슬로베니아 류블랴나 근처 스타레 그마이네에서 발견된 바퀴-축 조합은 기원전 3340년~3030년으로 거슬러 올라간다.[27] 초기 신석기 시대 유럽의 바퀴와 축에는 두 가지 유형이 알려져 있다. 알프스 주변의 마차 건설 유형(바퀴와 축이 함께 회전)과 헝가리 바덴 문화 유형(축은 회전하지 않음)이다. 이 두 가지 모두 기원전 약 3200년~3000년으로 거슬러 올라간다.[28]

초기 바퀴는 축을 위한 구멍이 있는 간단한 나무 원반이었다. 나무의 고르지 않은 구조 때문에 나무 기둥의 수평 슬라이스로 만든 바퀴는 둥근 세로 판으로 만든 바퀴보다 덜 튼튼했다.

바퀴살 바퀴는 더 가볍고 빠른 차량을 만들 수 있게 했다. 가장 오래된 나무 바퀴살 바퀴는 기원전 약 2000년경 신타슈타 문화와 관련이 있다. 이후 카우카수스 지역의 말 문화권에서는 3세기 동안 말이 끄는 바퀴살 바퀴 전차를 사용했다. 그들은 그리스 반도 깊숙이 이동하여 미노아의 지배가 무너지고 고전 그리스가 탄생하는 데 영향을 주었다. 켈트족은 기원전 1천년기에 바퀴 주위에 철 테를 도입했다.

중국에서는 기원전 약 2200년경 룽산 문화 유적지인 핑량타이에서 바퀴 자국이 발견되었다.[30] 비슷한 자국은 기원전 약 1700년경 얼리터우 문화 도시인 옌시에서도 발견되었다. 중국에서 바퀴살 바퀴의 가장 오래된 증거는 기원전 2000년에서 1500년 사이 유적지에서 발견된 두 개의 바퀴 허브 형태로 칭하이에서 나온다.[31]

영국에서는 2016년 이스트앵글리아의 머스트 팜 유적지에서 직경 약 1m의 큰 나무 바퀴가 발견되었다. 기원전 1100년에서 800년 사이의 이 표본은 영국에서 발견된 이 유형 중 가장 완전하고 가장 오래된 것이다. 근처에서 발견된 말의 등뼈는 바퀴가 말이 끄는 수레의 일부였을 가능성을 시사한다.[35]

유럽인과의 접촉 이전 아메리카 대륙에서는 바퀴가 크게 사용되지 않았지만, 어린이 장난감으로 확인된 수많은 작은 바퀴 달린 유물이 멕시코 고고학 유적지에서 발견되었는데, 그중 일부는 기원전 약 1500년경의 것이다.[36]

기원전 약 400년 이후의 누비아인들은 토기를 굽는 데 바퀴를 사용했고, 물레방아로도 사용했다.[43] 누비아의 물레방아는 소가 끌었을 가능성이 있다.[44] 또한 누비아인들이 이집트에서 수입한 말이 끄는 전차를 사용했던 것으로 알려져 있다.[45]

바퀴살 바퀴는 1870년대에 바퀴살 바퀴와 공기 타이어가 발명될 때까지 큰 변화 없이 계속 사용되었다.[48] 공기 타이어는 구름 저항을 크게 줄이고 편안함을 향상시켰다. 초기 방사형 바퀴살 와이어 휠은 접선형 바퀴살 와이어 휠로 이어졌고, 20세기 후반까지 자동차에 널리 사용되었다. 현재는 주조 합금 휠이 더 일반적으로 사용되며, 무게가 중요한 경우 단조 합금 휠이 사용된다.

2. 2. 각 지역별 바퀴의 전파와 발전

바퀴가 누가 언제 처음 만들었는지는 정확히 밝혀지지 않았다. 현재까지 발견된 가장 오래된 바퀴 유물은 기원전 3500년경 메소포타미아 유적에서 나온 전차용 나무 바퀴이다. 아메리카 토착민과 잉카 문명 원주민은 유럽인들이 전파하기 전까지 바퀴를 알지 못했다고 알려져 있다.[3]

고고학 유물들은 여러 지역에서 수 세기에 걸쳐 바퀴가 발달했음을 보여준다.[3] 메소포타미아 문명이 바퀴를 발명했다는 주장이 오랫동안 제기되었지만,[4][5][6] 최근에는 메소포타미아와 동유럽에서 각각 독자적으로 발명되었거나, 선사 시대 동유럽인들이 먼저 발명했다는 주장도 나온다.[7][8][9][10] 초기 바퀴 달린 수레의 증거는 중동, 유럽, 동유럽, 인도, 중국 등 여러 지역에서 발견되어, 누구 한 명이 바퀴를 발명했다고 단정하기 어렵다.[11][12]

바퀴의 발명은 후기 신석기 시대에 이루어졌으며, 초기 청동기 시대의 다른 기술 발전과 함께 나타났다. 신석기 혁명(농업 발명)과 토기 발명 이후, 수천 년 동안 바퀴가 없는 시대가 지속되었다는 것을 알 수 있다.

  • 기원전 4500년~3300년 (구석기 시대): 도공의 바퀴 발명, 최초의 단단한 나무 바퀴(축을 위한 구멍이 있는 원반) 및 바퀴 달린 차량 등장.
  • 기원전 3300년~2200년 (초기 청동기 시대)
  • 기원전 2200년~1550년 (중기 청동기 시대): 바퀴살 바퀴와 전차 발명, 말의 가축화.


기원전 6500년~5100년의 할라프 문화에서 바퀴 달린 차량이 처음 묘사되었다고 알려져 있지만, 실제로 사용했다는 증거는 없다.[13] 기원전 4천년경 중동에서 도공의 바퀴가 사용되기 시작했으며,[14] 가장 오래된 도공의 바퀴는 기원전 약 3100년경 우르(오늘날의 이라크)에서 발견되었다.[15] 그러나 우크라이나 서부의 쿠쿠테니-트리필리아 문화 유적에서 발견된 도공의 바퀴는 기원전 5천년대 중반으로, 메소포타미아보다 앞선다.[3][16][17][18][19][20] 기원전 4천년대 후반 인더스 문명(오늘날의 인도와 파키스탄 지역)에서도 바퀴가 발견되었지만, 연대는 불확실하다.[21]

바퀴 달린 운송 수단의 가장 오래된 간접적인 증거는 기원전 4000년 이전 흑해 북쪽에서 발견된 소형 점토 바퀴이다. 기원전 4천년대 중반부터 유럽 전역에서 장난감 자동차, 묘사, 바퀴 자국 등의 증거가 발견되며, 가장 오래된 것은 기원전 약 3400년경 북독일에서 발견되었다.[22][23][24] 메소포타미아 우르크의 에안나 구역에서 발견된 점토판 상형 문자에는 기원전 약 3500년~3350년경 바퀴 달린 마차가 묘사되어 있다.[25] 기원전 4천년대 후반에는 북쪽(마이콥 문화)과 남쪽 카우카수스 및 동유럽(쿠쿠테니-트리필리아 문화)에서 거의 동시에 바퀴 달린 차량이 나타났다.

기원전 3631년에서 3380년 사이 남부 폴란드 깔때기잔 문화 유적에서 발굴된 브로노치세 점토 항아리에 바퀴 달린 차량이 묘사되어 있다.[26] 인근 올샤니차에는 마차 출입을 위한 폭 2.2m의 문이 있는 헛간이 발견되었는데, 이는 기원전 5000년 신석기 시대 선형 토기 문화에 속한다. 슬로베니아 류블랴나 근처 스타레 그마이네(류블랴나 습지 나무 바퀴)에서 발견된 바퀴-축 조합은 기원전 3340년~3030년, 축은 기원전 3360년~3045년으로 거슬러 올라간다.[27] 초기 신석기 시대 유럽의 바퀴와 축에는 두 가지 유형이 알려져 있다. 알프스 주변의 마차 건설 유형(류블랴나 습지 바퀴와 같이 바퀴와 축이 함께 회전)과 헝가리 바덴 문화 유형(축은 회전하지 않음)이며, 모두 기원전 약 3200년~3000년으로 거슬러 올라간다.[28] 일부 역사가들은 기원전 4천년대 중반경 근동에서 유럽으로 바퀴 달린 차량이 전파되었다고 주장한다.[29]

초기 바퀴는 축을 위한 구멍이 있는 간단한 나무 원반이었다. 가장 초기의 바퀴 중 일부는 나무 기둥의 수평 슬라이스로 만들어졌는데, 이는 둥근 세로 판으로 만든 바퀴보다 덜 튼튼했다.

바퀴살 바퀴는 더 최근에 발명되어 더 가볍고 빠른 차량을 만들 수 있게 했다. 가장 오래된 나무 바퀴살 바퀴는 기원전 약 2000년경(크리보이 호수) 신타슈타 문화와 관련이 있다. 이후 카우카수스 지역의 말 문화권에서는 말이 끄는 바퀴살 바퀴 전차를 사용했다. 그들은 그리스 반도로 이동하여 미노아 문명을 무너뜨리고 스파르타와 아테네가 주도하는 고전 그리스를 탄생시켰다. 켈트족 전차는 기원전 1천년기에 바퀴 주위에 철 테를 도입했다.

중국에서는 기원전 약 2200년경 룽산 문화 유적지인 핑량타이에서 바퀴 자국이 발견되었다.[30] 비슷한 자국은 기원전 약 1700년경 얼리터우 문화 도시인 옌시에서도 발견되었다. 중국에서 바퀴살 바퀴의 가장 오래된 증거는 기원전 2000년에서 1500년 사이 유적지에서 발견된 두 개의 바퀴 허브 형태로 칭하이에서 나온다.[31] 바퀴 달린 차량은 서쪽에서 중국으로 유입되었다.[32][33][34]

영국에서는 2016년 이스트앵글리아 머스트 팜 유적지에서 직경 약 1m의 큰 나무 바퀴가 발견되었다. 기원전 1100년에서 800년 사이의 이 표본은 영국에서 발견된 가장 완전하고 오래된 것이다. 근처에서 발견된 말의 등뼈는 바퀴가 말이 끄는 수레의 일부였을 가능성을 시사한다. 바퀴는 습지 위에 기둥으로 지어진 정착지에서 발견되었는데, 이는 육지와 연결되어 있었음을 나타낸다.[35]

유럽인과의 접촉 이전 아메리카 대륙에서는 바퀴가 크게 사용되지 않았지만, 어린이 장난감으로 보이는 수많은 작은 바퀴 달린 유물이 멕시코 고고학 유적지에서 발견되었는데, 그중 일부는 기원전 약 1500년경의 것이다.[36] 일부 학자들은 아메리카 대륙에서 바퀴 달린 마차를 끌 수 있는 길들여진 대형 동물이 없었기 때문에 바퀴가 크게 발전하지 못했다고 주장한다.[37] 콜럼버스 이전 시대 아메리카 대륙에 있던 소와 가장 가까운 친척인 아메리카 들소는 길들이기 어려웠고, 아메리카 원주민에 의해 길들여지지 않았다. 여러 종의 말이 약 12,000년 전까지 존재했지만 결국 멸종했다.[38] 서반구에서 길들여진 유일한 대형 동물인 라마는 짐을 나르는 동물이었지만, 바퀴 달린 차량을 끌기에는 적합하지 않았다.[39]

메소아메리카인들은 수레, 도공의 바퀴 등 실용적인 바퀴를 개발하지 않았다.[40][41] 세계 전역에서 발견되는 장난감에서 바퀴를 볼 수 있지만,[40][41] 16세기 이전 메소아메리카에서는 실용적으로 사용되지 않았다.[40][41] 마야인들이 실용적인 바퀴에 가장 가깝게 다가간 것은 방추차일 것이며, 일부 학자들은 장난감이 방추차와 방추봉을 "바퀴"와 "축"으로 사용하여 만들어졌다고 생각한다.[41]

오스트레일리아 원주민들은 전통적으로 표적 연습을 위해 원형 원반을 땅에 굴렸다.[42]

기원전 약 400년 이후 누비아인들은 토기를 굽는 데 바퀴를 사용했고, 물레방아로도 사용했다.[43] 누비아의 물레방아는 소가 끌었을 가능성이 있다.[44] 또한 누비아인들은 이집트에서 수입한 말이 끄는 전차를 사용했다.[45]

18세기부터 서아프리카에서는 다호메이 등에서 바퀴 달린 차량이 주로 의식적인 목적으로 사용되었다.[47] 19세기까지 사하라 이남 아프리카의 에티오피아와 소말리아를 제외하고는 운송 수단으로 거의 사용되지 않았다.[46][47]

바퀴살 바퀴는 1870년대에 바퀴살 바퀴와 공기 타이어가 발명될 때까지 큰 변화 없이 사용되었다.[48] 공기 타이어는 구름 저항을 줄이고 편안함을 향상시켰다. 바퀴살은 장력을 받으므로 바퀴가 단단하고 가벼울 수 있다. 초기 방사형 바퀴살 와이어 휠은 접선형 바퀴살 와이어 휠로 이어졌고, 20세기 후반까지 자동차에 널리 사용되었다. 현재는 주조 합금 휠이 더 일반적으로 사용되며, 무게가 중요한 경우 단조 합금 휠이 사용된다.

3. 구조와 기능

바퀴는 썰매와 비교했을 때 훨씬 적은 힘으로 물체를 이동시킬 수 있게 해주는 구조이다. 바퀴의 작동 원리를 이해하기 위해서는 마찰력의 개념을 살펴볼 필요가 있다.

바퀴가 없을 때 물체를 이동시키려면 물체를 들어 올리거나, 지면에 닿은 채로 밀거나 당겨야 한다. 들어 올리는 것은 큰 힘이 필요하고, 미는 것은 미끄럼 마찰보다 큰 힘이 필요하다. 하지만 바퀴는 구름 마찰을 이용하는데, 이는 미끄럼 마찰보다 훨씬 작기 때문에 작은 힘으로도 물체를 움직일 수 있다. 예를 들어, 1톤 무게의 승용차도 바퀴가 달려 있고 브레이크만 풀면 한 사람이 밀어서 움직일 수 있을 정도로 구름 저항이 작다.

바퀴와 축은 항상 함께 사용되며, 축에 대해 바퀴가 회전하거나, 본체 내에서 축이 (바퀴와 함께) 회전하는 구조를 가진다. 어느 쪽이든 기계적으로 동일하며, 바퀴축이라는 단순 기계의 한 종류이다.

바퀴와 축을 사용하면 다음과 같은 이유로 저항이 줄어든다.[61]


  • 마찰이 발생하는 접촉면에 작용하는 수직력은 같다.
  • 축이 한 바퀴 회전할 때 바퀴도 한 바퀴 회전하는데, 축의 외주만큼 마찰이 발생하지만 바퀴는 그보다 훨씬 큰 거리를 이동하므로 마찰 거리가 줄어든다.
  • 마찰이 발생하는 접촉면이 기계 내부에 있어 지면과의 마찰보다 마찰 계수를 낮출 수 있다.


마찰을 더 줄이기 위해 베어링이 사용되기도 한다. 가장 단순한 베어링은 둥근 구멍에 축을 통과시킨 미끄럼 베어링이다.

바퀴-도로 접촉면에서 구름 저항으로 인한 에너지 손실이 발생하기도 하지만, 바퀴 반지름이 불규칙성에 비해 충분히 크면 불규칙한 표면도 쉽게 이동할 수 있다는 장점이 있다.

일반적으로 "바퀴", "휠"은 타이어나 튜브를 포함한 회전 부분 전체를 가리키지만, 분야에 따라 구분되기도 한다. 자동차 분야에서는 단단한 부분만 "휠"이라고 부르기도 하고, 바퀴의 헛돌기를 나타내는 "휠 스핀"은 타이어를 포함한 로드 휠 전체를 가리킨다.

3. 1. 구성 요소

구성 요소


3. 2. 작동 원리

바퀴 달린 차량은 같은 무게를 단순히 끌고 가는 것보다 훨씬 적은 일로 움직일 수 있다. 운동에 대한 저항이 낮은 이유는 마찰에 의한 일이 더 이상 차량이 지나가는 표면에서 일어나는 것이 아니라 베어링에서 일어나기 때문이다. 가장 간단하고 오래된 경우, 베어링은 축이 통과하는 둥근 구멍("평 베어링")일 뿐이다. 평 베어링을 사용하더라도 마찰에 의한 일은 크게 줄어드는데, 그 이유는 다음과 같다.[61]

  • 미끄럼 접촉면의 수직 항력은 단순히 끌 때와 같다.
  • 주어진 이동 거리에 대해 미끄럼 거리가 감소한다.
  • 접촉면의 마찰 계수가 일반적으로 더 낮다.


예시:

  • 100kg의 물체를 마찰 계수 ''μ'' = 0.5인 표면을 따라 10m 끌면, 수직 항력은 981 N이고, 수행된 일(필요한 에너지)은 (일 = 힘 × 거리) 981 × 0.5 × 10 = 4905 줄이다.
  • 이제 그 물체에 바퀴 4개를 달아보자. 4개의 바퀴와 축 사이의 수직 항력은 총 981N으로 동일하다. 나무의 경우 ''μ'' = 0.25라고 가정하고, 바퀴 지름이 1000mm이고 축 지름이 50mm라고 하자. 따라서 물체가 10m 이동하더라도 미끄럼 마찰 표면은 서로 0.5m만 미끄러진다. 수행된 일은 981 × 0.25 × 0.5 = 123줄이며, 수행된 일은 끌고 가는 경우의 1/40로 줄어들었다.


바퀴-도로 접촉면에서 추가적인 에너지가 손실된다. 이것은 구름 저항이라고 하며, 주로 변형 손실이다. 이는 지면의 성질, 바퀴 재질, 타이어의 경우 공기압, 최종 엔진이 가하는 순 토크 및 기타 많은 요소에 따라 달라진다.

바퀴는 바퀴 반지름이 불규칙성에 비해 충분히 클 경우 불규칙한 표면을 지나는 데에도 유리할 수 있다.

바퀴 자체는 기계가 아니지만, 축이나 베어링과 결합하여 바퀴축이라는 단순 기계가 된다. 차량의 바퀴도 바퀴축의 한 예이다.

바퀴는 물체를 지표면에 밀착시킬 수 있을 때, 그 물체를 지표면을 따라 효율적으로 움직이도록 하는 기계(구조)이다. 바퀴와 축을 사용할 때의 저항력이 단순히 물체를 끌었을 때보다 작아지는 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다.

  • 마찰이 발생하는 접촉면에 작용하는 수직력은 같다.
  • 축이 한 바퀴 회전하면 바퀴도 한 바퀴 회전하는데, 축의 외주만큼의 마찰 거리로 바퀴의 외주만큼 이동하므로, 마찰이 발생하는 거리가 크게 줄어든다.
  • 마찰이 발생하는 접촉면이 모두 기계 내부에 있으므로, 지면과의 마찰보다 마찰 계수를 훨씬 낮출 수 있다.

4. 소재

초기에 바퀴는 주로 나무로 만들어졌으며, 중앙에 차축을 끼울 수 있는 구멍이 있었다. 목재는 성질상 나무 둥치를 수평으로 자른 것은 강도가 약했기 때문에, 세로 방향으로 잘라낸 판을 둥글게 만들어야 했다.[77] 만약 바퀴를 만들 수 있을 만큼 큰 재료를 한 그루의 나무에서 얻을 수 없다면, 세 개의 반달 모양 판을 조합하여 하나의 바퀴를 만들었다.[77]

19세기에는 증기 기관차의 발명과 함께 그 무게를 지탱하기 위한 철제 바퀴가 발명되어 철도 등에 사용되기 시작하면서 바퀴에 큰 변화가 찾아왔다.

1870년경에는 공기가 들어 있는 타이어와 철사 스포크를 가진 바퀴가 발명되었다.[79] 이 바퀴는 처음에는 자전거에 사용되었고, 19세기 말부터 자동차에 사용되면서 바퀴의 성능이 크게 향상되었다.

바퀴 소재는 다음과 같다.

소재
목재
죽재
석재
강철(철 합금)
알루미늄 합금
마그네슘 합금
티타늄 합금
플라스틱
폴리우레탄
탄소섬유강화플라스틱(카본)


5. 자동차용 바퀴

자동차용 바퀴는 디자인에 따라 다음과 같이 분류된다.[80]

하위 섹션("디자인에 따른 분류")에서 자세한 내용을 다루므로, 여기서는 간단하게 종류만 언급한다.



토요타 프리우스(2004)의 리어 휠


자동차용 휠

5. 1. 디자인에 따른 분류


  • 방사형 - 휠의 림 안쪽 디스크 부분이 방사형이다.[80]
  • 나선형 - 휠의 림 안쪽 디스크 부분이 나선형이다.[80]
  • 원반형 - 휠의 림 안쪽 디스크 부분이 평평한 판 형태이다.[80]
  • 메쉬형 - 휠의 림 안쪽 디스크 부분이 메쉬 형태이다.[80]

5. 2. 장착 규격

일반적으로는 4홀, 5홀 등의 볼트, 너트 사양이 많다. 레이싱카나 포르셰, 페라리, 람보르기니, 맥라렌 등에서도 극히 일부의 슈퍼 스포츠카, 하이퍼카에는 신속한 타이어 교체가 가능한 센터록 사양도 있다.

5. 3. 크기 표기 및 규격

바퀴의 크기 표기 및 규격은 다음과 같이 나타낸다. 예를 들어 "16×7J 5H PCD100 +38"이라고 표기되어 있다면 다음과 같은 의미를 갖는다.

표기의미설명
16외경16인치. 비드 착지면의 지름을 인치로 나타낸다.
7림폭7인치
J플랜지 형상림면에서 플랜지 상단까지의 높이, 플랜지의 두께, 플랜지의 비드 착지면의 반지름으로 분류된다. 승용차에서 일반적인 형상은 J = 17.5 / 13 / 9.5 (높이/두께/반지름, 단위 mm)이다.
5H장착 볼트 구멍5홀. 3홀~12홀이 사용되며, 차량의 중량이나 하중이 클수록 볼트 수가 많고 지름이 두꺼워진다.
PCD장착 구멍 간격100 mm. PCD는 "Pitch Circle Diameter"의 약자이다. 일본 승용차에서는 100 mm, 110 mm, 114.3 mm(4.5인치)가 일반적이며, 외제차에는 101.6 mm(4인치) 등도 있다. 여러 지름에 대응하는 멀티 PCD 휠도 있다.
+38인셋허브면에서 림(타이어 폭) 중심까지의 거리가 플러스 방향(차량 내측)으로 38 mm라는 의미이다. ET라고 표기하는 메이커도 있다(단위는 mm이며, 독일어 "Einpresstiefe"의 약자로 영어의 Offset과 동의어임).


  • 플랜지 형상:
  • * 트럭에서 일반적인 형상[81]: B, F, E, GS, J, JJ, K, S, SW, SWA, T, V (형상 기호 뒤에 SDC가 붙은 경우는 사이드 링이 있는 Semi Drop Center rim)
  • * 특수 자동차·농기계에서 일반적인 형상[82]: A, B, D, E, F, G, I, J, JA, JJ, K, LB, MT, P, R, S, SP, SW, TG, V, W, WI
  • * 오토바이에서 일반적인 형상: J, K, MT, W (형상 기호 뒤에 DT가 붙은 경우는 2분할 림 Divided Type rim)
  • * 자전거에서 일반적인 형상: B/E, H/E, W/O
  • * 기타: L 등


승용차용 알루미늄 휠의 플랜지 형상에는 "J"가 많기 때문에, 흔히 이 기호를 림폭의 단위로 오해하는 경우가 있다. 예를 들어 플랜지 형상이 "K"인 순정 스틸 휠을 "14×5.0J"라고 부르거나, 폭이 넓은 휠에 대해 "J 수가 크다"라고 표현하는 것은 모두 잘못된 표현이다.

림 중심이 허브면 안쪽으로 들어가는 것을 인셋, 반대로 림 중심이 허브면보다 바깥쪽으로 나오는 것을 아웃셋(일본 국내의 구칭은 마이너스 오프셋)이라고 한다.

자세한 내용은 스틸 휠, 알루미늄 휠 문서를 참조하라.

6. 다양한 바퀴

초기의 바퀴는 나무로 된 원판이었으며, 중앙에 차축을 끼울 구멍이 있었다. 목재의 성질상, 나무의 둥치를 수평으로 잘라낸 것은 강도가 약했기에, 세로 방향으로 잘라낸 판을 둥글게 만드는 것이 필요했다.[77] 만약 바퀴를 만들 수 있을 만큼의 재료가 한 그루의 나무에서 얻어지지 않았다면, 세 개의 반달 모양의 판을 만들어 그것들을 조합하여 하나의 바퀴를 만들었다.[77]

지면으로부터의 충격을 완화하는 스포크가 있는 바퀴의 발명에 관해서는, 현재 알려진 가장 오래된 예는 안드로노보 문화의 것으로, 기원전 2000년경이다.[78] 그 직후, 카프카스 지역의 기마 민족이 3세기에 걸쳐 스포크를 사용한 바퀴의 전차를 말에 끌게 되었다. 그들은 그리스 반도에도 진출하여 지중해의 민족들과 교류했다. 켈트족은 기원전 1천년기에 전차 바퀴의 바깥쪽에 철을 감기 시작했다.

19세기에 들어서면서 바퀴에는 변화가 찾아왔다. 증기 기관차의 발명과 함께 그 무게를 지탱하기 위한 철제 바퀴가 발명되어 철도 등에 사용되기 시작했다.

1870년경에는 공기가 들어 있는 타이어와 철사 스포크의 바퀴가 발명되었다.[79] 이것은 처음에는 당시 발전하기 시작한 자전거에 사용된 후, 19세기 말부터 보급되기 시작한 자동차에 사용되게 되었고, 이에 따라 바퀴의 성능은 크게 향상되었다.

메카넘 휠을 이용한 이동 로봇 우라누스


무한궤도를 이용한 트랙터

7. 바퀴의 장점과 단점

바퀴는 물건을 이동시키는 데 널리 사용되지만, 모든 장소에 적합한 것은 아니다. 바퀴는 포장된 도로, 철로, 단단하고 평평한 지면 등에서 잘 구르지만, 눈밭, 습지, 진흙길, 사막, 불규칙한 지형, 장애물이 있는 곳에서는 효율적이지 않다.

바퀴의 대안으로는 마그레브 열차, 썰매, 스키, 트라보, 호버크래프트, 에크라노플랜, 보행, 카트, 보행 로봇, 승마, 궤도 (바퀴로 작동), 페드레일 바퀴(바퀴와 궤도의 특징을 모두 사용), 구체, 다이슨 진공청소기와 햄스터 볼에 사용되는 것, 스크루 추진 차량 등이 있다.[60]

바퀴는 작은 힘으로 차량이나 운송 수단을 이동시키는 데 사용된다. 바퀴에 작용하는 구름 마찰은 미끄럼 마찰보다 훨씬 작아 작은 힘으로도 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 1ton 이상의 승용차도 바퀴가 있고 브레이크만 풀면 한 명이 밀어도 움직일 정도로 구름 저항이 작다.

일반적으로 "바퀴"는 타이어나 튜브를 포함한 회전 부분 전체를 가리키지만, 분야나 상황에 따라 구분된다. 자동차 분야에서는 단단한 부분만 "휠"이라고 하지만, "휠 스핀"은 타이어를 포함한 로드 휠 전체를 가리킨다. 반대로, 로드 휠 전체를 "타이어"라고 하는 경우도 있다.[61]

7. 1. 장점

바퀴는 물체를 지표면에 밀착시켜 효율적으로 움직이게 하는 기계(구조)이다. 바퀴와 축은 항상 함께 사용되며, 바퀴가 축을 중심으로 회전하거나 축 자체가 본체 내에서 바퀴와 함께 회전한다.

바퀴와 축을 사용하면 물체를 끌 때보다 저항력이 줄어드는 이유는 다음과 같다.

  • 마찰이 발생하는 접촉면에 작용하는 수직력은 동일하다.
  • 축이 한 바퀴 회전하면 바퀴도 한 바퀴 회전하는데, 축의 둘레만큼 마찰 거리로 바퀴의 둘레만큼 이동하므로 마찰 거리가 크게 줄어든다.
  • 마찰이 발생하는 접촉면이 기계 내부에 있어 지면과의 마찰보다 마찰 계수를 낮출 수 있다.


베어링은 마찰면의 마찰을 줄이기 위해 사용된다. 가장 단순하고 오래된 베어링은 축을 통과시키는 둥근 구멍인 미끄럼 베어링이다.

예를 들어, 100kg의 물체를 10m 끌 때 마찰 계수가 0.5라면 필요한 일은 4905J이다. 그러나 같은 물체에 바퀴 4개를 달고, 바퀴와 축 사이의 마찰 계수를 0.25, 바퀴 지름을 1000mm, 축 지름을 50mm로 하면 필요한 일은 123줄로 줄어들어, 물체를 직접 끌 때의 1/40이 된다.

추가적인 에너지는 바퀴와 지면의 접촉에서 손실되며, 이는 주로 변형 손실인 구름 저항이다.

바퀴는 지면의 요철에 대해 지름이 충분히 크면 불규칙한 지면 위를 쉽게 이동할 수 있다는 장점도 있다.

바퀴 자체는 기계가 아니지만, 축이나 베어링과 결합하여 바퀴축이라는 단순 기계가 된다. 차량의 바퀴도 바퀴축의 한 예이다.

사막에서의 바퀴 사용. (다카르 랠리)


바퀴는 물건을 이동시키는 방법으로 널리 사용되지만, 포장된 도로, 철로, 단단하고 평평한 지면 등에서 잘 구르는 특성 덕분에 적합한 장소와 그렇지 않은 장소가 있다.

7. 2. 단점

바퀴는 물건을 이동시키는 데 널리 사용되지만, 모든 장소에 적합한 것은 아니다. 바퀴는 포장된 도로, 철로, 단단하고 평평한 지면 등에서는 잘 구르지만, 눈밭, 습지, 진흙길, 사막, 불규칙한 지형, 장애물이 있는 길 등에서는 효율적이지 않다.

바퀴가 적합하지 않은 지형에서는 다음과 같은 대안적인 운송 수단을 사용할 수 있다.

8. 상징적 의미

바퀴는 순환이나 반복을 나타내는 강력한 문화적, 영적 은유가 되었다. (चक्र|차크라sa, 윤회, 음양 등 참조).[54][55] 이러한 이유와 험준한 지형 때문에 바퀴 달린 차량은 옛 티베트에서는 금지되었다. 고대 중국에서 바퀴는 건강과 힘의 상징으로 여겨졌으며, 일부 마을에서는 미래의 건강과 성공을 예측하는 도구로 사용되었다. 바퀴의 지름은 미래 건강의 지표로 여겨졌다. 칼라차크라 또는 시간의 바퀴는 불교의 일부 형태에서도 법륜과 함께 중요한 주제이다.

날개 달린 바퀴는 진보의 상징으로, 파나마 국장, 오하이오 주 고속도로 순찰대 로고, 태국 국철 등 여러 맥락에서 볼 수 있다. 바퀴는 또한 인도 국기의 주요 도형이다. 이 경우 바퀴는 법(다르마)을 나타낸다. 로마니 국기에도 등장하는데, 이는 그들의 유목민 역사와 인도 기원을 암시한다.

중기 청동기 시대에 바퀴살이 있는 전차 바퀴의 도입은 어느 정도의 위상을 가져온 것으로 보인다. 태양 십자가는 청동기 시대 종교에서 중요한 의미를 지니는 것으로 보이며, 초기의 태양선 개념을 더 '현대적'이고 기술적으로 발전된 태양 전차로 대체했다. 바퀴는 고대 이집트인들에게도 태양의 상징이었다.[56]

참조

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