자동차에서 주행저항을 아는 것은 굉장히 중요합니다 2가지가 가장 큰데 구름과 공기저항입니다. 이는 자동차의 속도와 굉장히 밀접한 관련이 있습니다.
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주행저항
자동차의 주행저항에는 여러가지가 있는데 가장 큰 2가지가 구름저항과 공기저항입니다. 자동차 타이어는 고무로 만들어졌습니다. 주행 중의 타이어는 노면과 닿은 부분이 변형되어 평평해지며, 노면에서 떨어지면 원래 형태로 복원됩니다. 변형되거나 복원된다는 것은 어떤 힘이 작용했다는 뜻입니다. 이 힘이 구름저항입니다.
변형이나 복원이 일어날 때는 타이어의 고무 부분에서 마찰이 일어나 마찰열이 발생합니다. 그리고 이에 따라 운동에너지가 열에너지로 변환됩니다.
공기저항
공기저항에는 압력저항과 마찰저항이 있습니다. 자동차가 나아가면 전방의 공기가 밀리면서 압력이 높아져 자동차를 되밀어내려 합니다. 그런데 후방에서는 그때까지 존재했던 자동차가 없어지기 때문에 공기의 압력이 낮아져 자동차를 다시 끌어오려 합니다. 이 되밀어내는 힘과 끌어오는 힘이 압력저항입니다. 또 자동차가 주행하면 공기와의 사이에 마찰이 발생해 마찰저항이 발생합니다.
일상생활에서는 공기와의 마찰을 느낄 일이 없지만, 마찰 저항은 속도적 제곱에 비례하기 때문에 고속으로 주행할수록 마찰저항에 영향을 많이 받습니다.
구배 저항
그 밖에 비탈길에서 발생하는 등판저항이나 가속할 때 발생하는 가속저항도 주행저항에 포함해 생각할 떄가 있습니다. 오르막길에서는 자동차의 중량 가운데 노면에 대해 수평인 성분이 자동차의 진행을 방해하는 힘이 됩니다. 이것을 구배 저항이라고 합니다. 내리막길의 경우는 등판저항이 마이너스로 작용하기 때문에 주행저항이 경감됩니다.
관성저항
관성이라고 하면 자동차의 주행을 도와주는 것으로 생각하기 쉬운데, 가속을 할 떄는 그때까지의 속도를 유지하려고 하기 때문에 관성력이 주행저항이 됩니다. 이것을 가속저항 또는 관성저항이라고 합니다. 구름저항은 자동차가 달리는 도중 타이어의 변형과 복원이 일어난다는 것은 구동력의 일부가 사용되었음을 의미합니다. 공기저항은 자동차 디자인에 따라 변합니다. 요즘은 연비 상승을 위해 공기저항을 적게 받도록 디자인합니다.
열기간과 내연 기관
자동차의 동력원인 엔진은 연료의 화학 에너지를 운동 에너지로 변환시키는 장치인데, 실제로는 화학 에너지를 일단 열에너지로 변환시킨 다음 그 열에너지를 운동 에너지로 변환시킨 다음 그 열에너지를 운동 에너지로 변환시킵니다. 이와 같이 열에너지를 운동 에너지로 변환시켜 함울 만들어내는 장치를 열기관이라고 합니다.
열기관
예를 들어 주전자를 가스레인지에 올려놓고 가열시켜 물을 끓이면 주전자의 뚜껑이 덜컥덜컥 움직입니다. 이것은 가스레인지가 발생시킨 열에너지가 뚜껑을 들어올리는 운동에너지로 변환되었다고 할 수 있습니다. 이와 마찬가지로 물이 끓고 있는 주전자의 주둥이 앞에 바람개비를 대면 분출하는 증기의 힘으로 바람개비가 회전합니다. 바람개비의 회전도 열에너지가 운동에너지로 변환되었음을 의미합니다.
열기관에는 다양한 종류가 있는데, 자동차 엔진은 대부분 실린더와 피스톤으로 구성되어 있습니다. 실린더와 피스톤의 구조를 쉽게 이해할 수 있는 예로는 주사기가 있습니다. 주사기의 통부분을 실린더, 통의 내부를 왕복하는 부분을 피스톤이라고 이해하면 됩니다. 주삿바늘을 끼우는 부분을 막고 내부에서 연료를 데우면 이때 발생한 이산화탄소와 연소에 사용되지 ㅇ낳고 남은 공기가 연소의 열에 팽창해 피스톤을 밀어냅니다.
내연기관
이것이 자동차의 기본원리입니다. 기관의 내부에서 연소가 일어나기 때문에 이런 열기관을 내연기관이라고 합니다. 참고로 증기기관차의 동력원인 증기기관은 기관의 외부에서 연소가 일어나기 때문에 외연 기관입니다. 내연 기관은 실린더 안에서 연소가 일어나 내부의 기체를 팽창시켜 그 힘으로 피스톤을 밀어냅니다. 외연기관의 경우 실린더 밖에서 연소가 일어나 그 열이 기관 내부의 기체를 팽창시킵니다. 이 힘으로 피스톤을 밀어냅니다.
엔진의 기본 구조
위에서 연소기관을 설명할 떄 언급한 실린더와 피스톤은 연속적으로 운동에너지를 발생시키지 못합니다. 따라서 실제 자동차 엔진에는 피스톤과 실린더에 다양한 구조가 추가됩니다. 이와 같이 피스톤과 실린더를 이용한 엔진을 왕복엔진 또는 피스톤 엔진이라고 합니다. 운동 에너지를 발생시킬 때 피스톤이 왕복 운동을 하기 때문에 이렇게 부릅니다.
가솔린 엔진
왕복엔진에는 여러 종류가 있는데 현재 자동차의 주류는 가솔린을 연료로 하는 엔진입니다. 이것을 일반적으로 가솔린 엔진이라고 부릅니다. 이 엔진은 4행정으로 작동되기 떄문에 4행정 사이클 엔진 또는 4스트로크 엔진이라고도 합니다. 이것을 종합하면 현재의 자동차 엔진은 가솔린 4사이클 왕복동 엔진이 되는데 보통은 간단히 가솔린 엔진이라고 부릅니다.
가솔린 엔진의 실린더는 비스듬하거나 누워있는 것도 있지만 기본적으로 수직으로 놓여있으며, 상부가 닫혀있습니다. 피스톤이 이동할 수 있는 가장 높은 위치를 상사점, 가장 낮은 위치를 하사점이라고 합니다. 피스톤이 상사점에 달한 상태에서도 실린더 내부에는 일정 공간이 남아 있는데, 이 공간을 연소실이라고 합니다. 연소실에는 공기나 연료를 흡입하는 입구인 흡기포트와 연소 후의 가스를 배출하는 배기포트가 있으며 각각 흡기밸브와 배기 밸브라는 밸브로 열고 닫을 수 있습니다.
또 연소실 안에는 점화 플러그의 전극이 돌출되어 있는데, 이 전극이 불꽃을 방전해 연료에 불을 붙입니다.
운동 에너지를 만들어내는 공간
- 배기 밸브 : 배기 구멍을 여닫는 밸브
- 점화 플러그 : 연료가 섞인 공기에 불꽃방전을 일으켜 불을 붙입니다
- 배기 포트 : 연소 후의 배기가스를 배출하는 출구
- 흡기 밸브 : 흡기 구멍을 여닫는 밸브
- 흡기 포트 연료가 섞인 공기를 빨아들이는 입구
- 연소실 : 피스톤이 상사점에 달했을 때 실린더 안에 남아 있는 공간
- 실린더 : 원통이며 상부에 천장이 있습니다. 천장의 모양은 다양합니다.
- 피스톤 : 실린더의 안지름보다 조금 작은 원통입니다.