[과학과 놀자] 테슬라는 왜 운전대를 사각형태로 만들었을까

(85) 회전 손잡이의 세계

우리는 매일 무언가를 돌리면서 산다. 문고리를 돌려 문을 열고, 자동차나 자전거를 운전한다. 이렇게 무언가를 돌리는 곳에는 손잡이가 존재한다. 왜 우리는 손잡이를 만들었을까. 편히 잡을 수 있도록 손잡이를 만든 걸까. 물론 손잡이를 통해 편하게 잡을 수 있다는 것도 큰 장점이지만, 사실 돌리기 위한 손잡이에는 또 다른 과학적 원리가 숨겨져 있다.

물체에 작용해 물체를 회전시키는 원인이 되는 물리량을 돌림힘(r)이라고 한다. 돌림힘은 ‘회전축으로부터 힘이 작용하는 곳까지의 거리×힘의 크기’다. 즉 물체를 회전시키기 위해서는 힘을 크게 해도 되지만, 회전축으로부터 힘이 작용하는 곳(작용점)까지의 거리를 증가시켜도 된다. 이는 회전문을 밀 때 큰 힘을 작용해도 되지만, 회전축에서 먼 곳을 밀수록 회전문이 잘 돌아가는 원리와 같다. 회전축으로부터 힘이 작용하는 곳까지의 거리를 증가시키면 돌리는 데 힘은 덜 드는 장점이 있지만 같은 각도를 돌리기 위해서 더 많은 거리를 이동시켜야 한다는 단점도 있다. 그렇다면 이제 본격적으로 ‘회전시키기 위한 손잡이’에 대해 알아보자.

회전문, 동그란 문고리, 자동차 운전대, 야외 수도꼭지 등이 회전축을 중심으로 대칭적으로 둘러싼 손잡이가 있는 구조이다. 이러한 구조는 회전축으로부터 작용점까지의 거리를 길게 만들기 위해서 공간이 많이 필요하다는 단점이 있지만, 사방으로 손잡이가 있기 때문에 다양한 방향에서 잡고 돌릴 수 있다는 장점이 있다. 특히 자동차의 운전대는 다양한 방향에서 자유롭게 잡고 돌릴 수 있어야 하기 때문에 회전축을 중심으로 어느 곳에서든 잡을 수 있는 원형 손잡이다. 그리고 예전 자동차 운전대 크기를 보면 대형 버스나 대형 트럭과 같이 자동차가 무겁고 커질수록 차체의 방향을 전환하는 데 큰 힘이 필요하기 때문에 운전대의 반지름을 크게 만들어 차체를 돌리기 위한 힘을 많이 줄이는 것을 볼 수 있다.

이외에 회전문, 야외 수도꼭지, 자전거 손잡이도 원형은 아니지만 회전축을 중심에 두고 손잡이가 다양한 방향으로 뻗어나간 형태다. 원형 형태의 손잡이보다 손잡이 사이사이가 뚫려 있기 때문에 내부 공간을 활용할 수 있으며 뻗어나간 손잡이 수만큼 잡고 밀거나 당길 수 있다. 이러한 특징에 의해 회전문은 칸마다 사람이 들어가 문을 밀면서 돌릴 수 있는 것이다. 또 다른 예시로 자전거 손잡이는 자동차 운전대처럼 큰 각도를 돌리지 않아도 돼 손잡이 형태가 원형일 필요가 없다. 그럼 자전거 손잡이가 굳이 2개인 이유는 무엇일까. 우리 손이 2개인 이유도 있지만 자전거는 좌우 균형을 잡는 게 중요하기 때문에 손잡이가 회전축을 중심으로 좌우로 2개가 뻗어나가는 대칭 구조인 것이다.

우리 주변에는 회전축이 손잡이의 중심에 있지 않고 한쪽으로 치우친 형태도 쉽게 볼 수 있다. 예전엔 문고리가 거의 다 원형이었는데, 현재는 대부분 중심축으로부터 손잡이가 한쪽으로 뻗어나간 일자형 문고리를 사용한다. 그 이유는 일자 고리가 회전축으로부터 거리가 더 멀기 때문에 원형 손잡이보다 더 작은 힘으로도 문고리를 쉽게 돌릴 수 있기 때문이다. 문에서 회전하는 것은 문고리뿐만이 아니다. 문 자체도 회전한다. 우리가 매일 열고 닫는 문도 회전축이 한쪽으로 치우친 직선형 손잡이에 해당한다. 문의 한쪽 끝이 경첩으로 고정돼 있어 회전축이 되고, 문의 손잡이 위치를 문의 회전축으로부터 먼 곳에 배치해 문을 밀거나 당기게 함으로써, 작은 힘으로도 문이 잘 열리거나 닫힐 수 있도록 한 것이다.

지금까지 살펴본 것처럼 다양한 회전 손잡이의 모양과 위치는 그에 맞는 이유와 원리가 숨겨져 있다. 만약 회전 손잡이가 없었다면 우리는 물체를 회전시키기 위해 더 섬세하고 많은 힘을 필요로 했을 것이다. 최근 테슬라에서 원형 형태가 아닌 운전대인 ‘요크 스티어링 휠(Yoke steering wheel)’을 운전대에 적용해 판매해 논란이 된 적이 있다. ‘요크 스티어링 휠’은 마치 비행기의 운전대처럼 운전대 위쪽 손잡이가 없으며 아랫부분이 사각 형태로 돼 있다. 이 형태의 운전대는 계기판을 더 잘 볼 수 있지만 후진이나 큰 회전 시 조향이 불편하다는 의견이 있다. 이처럼 새로운 것을 적용하기 위해서는 기존의 것을 대체할 수 있을 만한 많은 검증과 개선이 필요하다. 하지만 문손잡이가 원형 형태에서 직선 형태로 바뀌면서 많은 사람들에게 편리를 가져다준 것과 같이 새로운 도전은 계속 필요하다.

√ 기억해주세요

물체에 작용해 물체를 회전시키는 원인이 되는 물리량을 돌림힘(r)이라고 한다. 돌림힘은 ‘회전축으로부터 힘이 작용하는 곳까지의 거리×힘의 크기’다. 즉 물체를 회전시키기 위해서는 힘을 크게 해도 되지만, 회전축으로부터 힘이 작용하는 곳(작용점)까지의 거리를 늘려도 된다.