자전거

자전거 [自轉車, bicycle]는 운전자의 힘으로 추진되는 경량의 2륜차(二輪車)다. 자전거는 인력을 추진력으로 전환하도록 고안된 교통수단 중 현재까지 가장 효과적인 것이다.

19세기초에 처음 제작된 자전거는 중요한 교통 수단의 하나이면서 세계적으로는 스포츠와 산업의 기초로 발전했다. 자전거는 많은 나라에서 도로 교통 수단의 한 부분을 차지하고 있다. 자전거를 타고 하는 관광 여행은 영국에서 가장 많지만 독일과 프랑스 및 기타 유럽 국가에서도 늘고 있다. 가장 오래된 자전거 관광 여행 클럽은 1870년에 창설된 런던의 '피크위크 바이시클 클럽'(Pickwick Bicycle Club)이다. 자전거는 프랑스·독일·벨기에에서 경주에 널리 이용되며, 그 정도는 얼마 되지 않지만 영국·미국에서도 자전거 경주를 한다. 자전거를 탄 사람은 16~19km/h, 즉 보행의 약 4배 속도를 쉽게 낼 수 있다. 자전거를 이용한 관광 여행은 많은 나라에서 인기를 끌고 있으며, 흔히 클럽에서 대규모의 행사를 관장하고 있다.

초기의 자전거

현대의 자전거와 모양이 흡사한 기계 장치에 대한 특허를 처음 받은 사람은 J. 테종이다. 그는 1645년 2월 4일 퐁텐블로에서 말 대신에 2명의 탑승자가 구동하는, 네 바퀴를 가진 작은 동체를 제작하여 30년 동안 특허를 얻었다. 1779년에 이와 비슷한 4륜차(四輪車)가 파리에 등장했다. F. 블랑샤르와 M. 마쥐리에가 만든 이 4륜차는 크고 다루기가 불편했다.

최초의 2륜차는 소에르브룅 남작이 발명하여 1818년 4월 6일 파리에 선보인 '드레지엔'(draisienne)이다. 그것은 나무로 만들었으며, 탄 사람이 발로 땅을 밀어서 움직였다. 조잡하고 볼품은 없지만 조향(操向)이 가능했던 이 차는 그럭저럭 작동되었다. 이것의 복사판이 영국의 D. 존슨에 의해 만들어지고 미국에서도 제작되어 잠시 인기를 끌었다. 1839년, 스코틀랜드 덤프리스셔의 대장장이 K. 맥밀런이 4년 간의 실험을 통해 완성한 사람의 힘으로 추진되는 자전거가 등장 했다.

맥밀런이 만든 바퀴는 테가 철제로 되어 있으며, 드레지엔보다 외관상으로는 가벼워 보이지만 여전히 무거웠다. 이것은 지름 75cm 정도의 앞바퀴로 조향할 수 있었고 지름 100cm 정도의 뒷바퀴로 구동하여 상당한 속도로 달릴 수 있었다. 맥밀런은 1842년에 이 차로 역마차와 경주하여 이겼다. 기존의 자전거가 페달을 뒷바퀴에 직접 연결하는 대신 맥밀런의 자전거는 앞바퀴에 2개의 회전 크랭크를 설치했다. 타는 사람은 크랭크를 발로 밟아 앞뒤로 흔듦으로써 뒷바퀴의 양쪽에 장치되어 2개의 레버에 연결된 1쌍의 연접봉을 움직였다. 한쪽의 크랭크를 밟으면 그쪽의 연접봉이 앞으로 당겨지고 그에 따라 위쪽의 레버가 활 모양을 그리며 앞으로 끌려오고 그러면 바퀴가 돌아가고 반대쪽의 레버가 위쪽으로 올라오면서 다른 발로 같은 순환을 되풀이하도록 되어 있다.

이 차는 결코 대중화되지 못했으며, 모방되기는 했지만 유행에서 사라졌다. 어떤 면에서는 맥밀런의 것이 자전거의 시초가 되지만, 작동 원리면에서 현대의 자전거와 같은 편리한 자전거를 최초로 만든 사람은 프랑스인인 P. 미쇼와 그의 아들 E. 미쇼이다. 1861년 파리에서 미쇼 부자는 앞바퀴에 2개의 크랭크를 단 차를 만들었다. 크랭크는 탄 사람이 발로 회전시킬 수 있었는데, 1893년에 H. 미쇼가 말한 바에 의하면 그 원리는 두 발명자가 눈여겨보았던 수직 맷돌의 크랭크 핸들을 응용한 것이었다. 그들의 자전거는 나무와 쇠로 된 뼈대 때문에 '털터리 자전거'라는 별명을 얻기도 했지만 큰 인기를 끌었다. 그해에 그들은 그 차를 2대밖에 만들지 못했다. 뮌헨에서는 이미 이 자전거를 모방하여(뮌헨의 독일박물관에 보존되어 있음) 사용했는데, 1862년에는 빌라서피드(vélocipéde)로 알려진 이 자전거가 142대나 만들어졌다. 미쇼가(家)는 1865년에 이미 연간 400대를 제작했다. 1866년에 그들의 기계공 P. 랄르망이 미국으로 이민가서 코네티컷 주 앤소니어에 사는 J. 캐롤과 함께 미국 자전거에 관한 최초의 특허권을 획득했다.

1868년 5월 31일 최초의 공식적인 자전거 경주가 생클루 공원에서 열려 영국인 J. 무어가 우승했으며, 1869년 11월에 열린 최초의 도로 경주(파리에서 루앙까지)에서도 우승했다. 그는 견고한 고무 타이어와 볼 베어링을 갖춘 약 73㎏의 자전거를 탔으며, 134km의 코스를 2등보다 약 45분 빠른 10시간 25분에 주파했다고 한다. 그 경주에 출전한 자전거는 약 200대였다. 그해에 파리에서 개최된 최초의 자전거 전시회에서는 원시적인 프리휠(freewheel：페달을 멈추어도 회전이 가능한 자전거의 자유 뒷바퀴)과 가변 기어가 전시되었다.

영국 커번트리 재봉틀 회사의 R. B. 터너가 커번트리 역에서 공장까지 미쇼산의 자전거를 타고 가서 그 자전거 400대를 만들도록 경영진을 설득했다. 수출할 만한 역량을 갖추지 못한 프랑스는 국내에서만 그 자전거를 판매할 예정이었으나 프랑스와 독일 간의 전쟁이 일어나 터너가 영국에서 파는 것을 내버려두었다. 커번트리사의 창의력이 풍부한 젊은 작업 반장인 J. 스탈리는 원시적인 자전거를 개량하는 작업을 시작하여 영국 자전거 산업의 아버지로 알려지게 되었다. 오늘날 커번트리에는 그의 동상이 서 있다.

스탈리는 사용이 불편한 빌라서피드의 무게를 줄이기 위한 연구를 시작했다. 1870년에 그는 큰 앞바퀴와 작은 뒷바퀴를 가진 자전거를 제작했는데, 이 자전거는 그당시 가장 큰 동전과 가장 작은 동전의 명칭을 따서 만든 '페니­파딩'(penny-farthing)이라는 조롱조의 별명을 얻었다. 스탈리는 페달을 한 번 돌려 바퀴를 2번 돌아가게 하는 기어를 개발했다. 그는 와이어 스포크(wire spoke)를 끼워 장력을 받게 한 철제 바퀴를 만들어 자전거를 경량화했다. 그가 고안한 스포크들은 림(rim)과 허브(hub) 안의 구멍들을 통해 실패의 실처럼 감긴 1줄의 철사였으며, 철사가 감긴 곳을 돌려 장력을 주었다. 이 장치는 1874년에 더욱 개량되어 나사줄이 있는 홈을 가진 니플(nipple)이라는 돌기부로 스포크를 각각 따로 고정시키는 방식으로 바뀌었다. 그해 말에 스탈리는 스포크에 미치는 측면 방향의 응력을 완화시키기 위해 허브와 점선 방향으로 놓여 있는(방사상과 구별되는) 스포크를 고안해냈다. 어떤 사람은 이 진보된 자전거를 타고 런던에서 조너그로츠까지 약 1,110km 거리를 15일간에 달렸다. 이 자전거는 표준 중량이 약 23㎏이었지만 9.5㎏의 트랙 경기용으로도 제작될 수 있었으며, 바퀴는 운전자의 신장에 따라 지름이 100~150cm의 여러 크기를 가진 자전거가 있었다.

1874년에 H. J. 로슨이 큰 기어와 뒷바퀴 사이에 체인이 있는 후륜 구동 자전거를 만들었다. 이 자전거에는 지름이 같은 2개의 중형 바퀴를 달았다. '세이프티'(safety：안전함)라고 불린 이 자전거는 앞바퀴가 뒷바퀴보다 큰 '오디너리'(ordinary：보통의 것)에 비해 안정성·제동성과 승차감이 매우 우수했다. 이 자전거는 고형(固形) 고무 타이어로 안정성이 향상되었으나 로슨이 만든 자전거가 좀더 일반화되었다. 1888년에는 J. 무어와 동업을 하던 벨파스트의 수의사인 J. B. 던롭이 공기 타이어를 선보였다. 세이프티와 던롭의 공기 타이어를 갖춘 자전거가 크게 성공을 거둠으로써 오디너리의 제작은 끝이 났다. 1893년까지는 다이아몬드형 프레임이 가장 저렴하고 가장 일반적인 것으로 확립되었다. 자유로이 회전할 수 있고 쉽게 제동되는 보다 새로운 모형들이 계속 개발되었다.

기어의 도입으로 자전거의 성능은 더욱 개선되었다. 1901~06년에 H. 스터미와 J. 아처가 하나의 고리 내의 유성 톱니 바퀴 장치를 이용하는 주전원(周轉圓：한 원의 바깥쪽 또는 안쪽을 도는 원) 원리에 입각한 특허를 획득했다. 처음에는 2단이었다가 나중에 3단으로 바뀐 '스터미­아처 기어'는 자전거의 뒷바퀴 허브 안에 설치되었으며, 무게는 약 900g이었다. 이와 같은 장치들은 다른 나라에서도 모두 같은 원리를 이용하여 제작되었다. 디레일러 체인을 하나의 스프로킷으로부터 다른 스프로킷으로 이전 또는 탈선시키는 기어는 처음에 길에서 흙이 묻으면 작동이 잘 되지 않았지만 상당히 견고하고 편리한 것으로 판명되었다. 또 하나의 중요한 기술 혁신은 보통 자전거에서 파생된 세발 자전거의 차동 기어이다. 이것은 뒤에 있는 2개의 종동(從動) 바퀴가 모퉁이를 도는 경우 서로 다른 속도로 회전하면서 진로를 유지하게 하는 장치였다. 1893~1962년에는 자전거 설계의 발전 면에서 다소 답보 상태에 있었다. 즉 1962년에 십자형의 프레임이 선보일 때까지는 기존의 설계를 다듬는 작업만이 행해졌다.

현대의 자전거

스커트 차림의 여자가 탈 수 있도록 고안된 고리형의 프레임을 제외하고 자전거는 2개의 기본형인 다이아몬드형 프레임과 십자형 프레임으로 생산된다. 이 2가지는 원리면에서 큰 차이가 있다. 1962년까지 유일하게 양산된 형인 다이아몬드형 프레임은 3개의 3각형 틀과 1쌍의 포크로 이루어져 있다. 운전자는 주(主) 삼각형의 틀에 걸터앉으며, 다른 2개의 삼각형의 틀은 뒷바퀴를 양쪽에서 지지한다. 그리고 좌우로 돌릴 수 있는 포크는 앞바퀴를 지지한다. 운전자는 받침 파이프의 꼭대기에 얹힌 안장에 앉는다. 받침 파이프의 밑바닥에 있는 러그(lug)는 앞에서 하향(下向) 파이프와 뒤에서 체인 스테이(chain stay)를 지지하는 외에도 크랭크용(用)과 큰 기어의 베어링을 담는다.

초기의 모형들은 직선으로 구부러진 포크를 가지고 있었지만, 곡선형의 포크가 자연적인 탄력성을 통해 노면의 충격을 어느 정도 흡수하고 운전자의 체중에 의해 차체가 기울어도 직진의 자세로 쉽게 복귀하는 장점을 가지고 있었다.

1962년에 영국인 기술자 A. 멀턴이 십자형 프레임을 사용하여 세이프티 이래 최초로 현대적인 자전거를 만들었다. 십자형 프레임은 단면에 타원십자형의 큰 수평 파이프 하나를 가진 프레임이었다. 이 주 파이프로부터 2개의 서로 평행인 받침 파이프와 헤드 파이프가 뻗어 나왔으며, 헤드 파이프는 조향 포크용 베어링을 지지했다. 뒤에는 주 파이프와 평행이고 끝으로 갈수록 가늘어지는 2개의 포크가 뒷바퀴를 지지했다. 작은 고무는 주 파이프의 말단과 포크들 사이의 가로대에 부착되었다. 포크 말단의 수직 운동은 고무로 하여금 압축·전단 응력을 받게 했다. 앞포크는 포크가 수직 운동을 하는 동안 운전자가 회전시킬 수 있도록 장치되었다. 포크의 수직 운동은 진동을 흡수·억제하는 기능을 가진 코일 스프링 안에 설치된 고무 기둥으로 제어되었다.

멀턴은 애초에 작은 바퀴들에 초고압의 타이어를 써서 관성을 줄이고자 했다. 그는 좀더 일반화된 65cm 또는 67.5cm 바퀴 대신 40cm 바퀴를 채택했으며, 바퀴가 작고 타이어가 딱딱하기 때문에 덜컹거리는 현상을 줄이기 위해 고무완충장치를 삽입했다. 구동은 재래식이었다. 고무완충장치는 주 파이프가 없는 프레임을 사용하여 성공을 거두었다. 그 프레임은 운전자의 신장에 따라 안장을 신속하게 조절할 수 있게 했다. 그는 받침 파이프의 뒤에 프레임의 한 부분으로서 짐받이를 설치했는데, 바퀴가 작기 때문에 정통의 자전거에서보다 짐받이가 지면에 더 가까워 무거운 짐을 실어도 그만큼 안전했다. 그후 디자인 연구가 더욱 진행되면서 주 파이프 말단의 고무 블록이 삼각형의 작은 금속으로 대체되었는데, 이 금속은 단단한 고무공에 의해 주 파이프로부터 분리되어 위아래로 약간씩 자유롭게 움직여 승차감을 부드럽게 하는 작용을 했다.

자전거의 바퀴는 타이어를 지지하는 림, 장력을 받는 스포크, 그리고 허브로 되어 있다. 스포크는 접선의 방향을 가지고 짜 넣으며, 림의 원형을 유지하도록 조정되는 림 안의 니플에서 장력을 받아 유지된다. 허브 축에 암나사로 죄거나 중공축(中空軸：축단면의 중심부에 구멍이 뚫려 있는 축)을 이용하여 캠 작용을 하는 레버로 허브를 프레임에 고정시킬 수도 있다. 허브 축은 또한 볼 레이스(ball race)의 원뿔을 지지하며, 볼 레이스의 원뿔은 조절장치로 쓰이고 허브 몸통의 구성 요소인 레이스의 마모를 줄이는 데 쓰인다. 림은 지름이 35~70cm인 여러 가지 유형이 있으며, 웨스트우드형·엔드릭형·튜브형의 3개 기본형이 있다. 웨스트우드형의 림은 형태가 가장 단순하고, 단면의 중앙에는 니플을 박기 위해 오목하게 팬 데가 있어 넓적하다. 압연기로 펴진 양면에는 철사로 감긴 타이어의 테두리가 끼워진다. 엔드릭형의 림은 림을 죄는 캘리퍼 제동기를 사용할 수 있도록 양면이 납작한 모양으로 되어 있다. 튜브형의 림은 압출성형으로 우묵한 단면을 가진 납작한 U자 모양으로 만들어진다. 이 림은 튜브형의 경주용 타이어를 끼우기 위해서 쓰이는데, 타이어는 철사로 감지 않고 접착제를 사용해서 림에 붙인다. 경주용 림은 때에 따라서 가벼운 재질의 나무로도 만든다.

타이어는 범포(帆布)와 고무로 만든 바깥 덮개와 팽창력이 있는 튜브로 구성되어 있다. 커버는 경주용 타이어와 같이 튜브를 담기 위해 꿰매어 합칠 수도 있고, 타이어의 덮개를 둥글게 유지하기 위해 타이어의 테두리에 탄력성이 있는 철사 고리들을 넣을 수도 있다. 커버는 천연 고무의 함량을 많게 하는 것이 보통인 반면, 튜브는 부틸(Butyl：가스 불침투성 고무의 상품명)로 만드는 경우가 가장 많다. 경주 전용 타이어는 튜브가 보통 극히 얇은 천연고무로 되어 있으며, 범포는 가볍고 질기게 하기 위해 고급 면이나 견으로 만들 수 있다. 이런 타이어는 보통 최고 10.5㎏f/㎠(㎏중/㎠)의 압력에도 견딘다. 가장 일반적인 형태의 타이어 밸브는 타이어 내의 압력에 의해 작동되는 원추형 마개를 사용한다. 벨트 전동만이 아니라 축 전동과 우산형 기어에 대한 실험도 행해졌지만, 자전거는 일반적으로 체인에 의해 구동된다. 롤러 체인은 핀 링크와 롤러 링크들로 조립된다. 핀 링크는 단단히 맞추어진 2개의 핀으로 연결되는 2개의 측판(側板)으로 구성된다. 롤러 링크는 2개의 부싱(bushing：구멍 속에 끼우는 금속통)으로 연결되는 2개의 측판으로 구성되며, 부싱 위에서 담금질로 경화된 강제(鋼製) 롤러가 자유회전하도록 되어 있다. 조립이 되면 핀들이 부싱 안에 느슨하게 끼워진다. 체인이 녹스는 것을 방지하고 매끄럽게 유지하기 위해 윤활유를 충분히 칠 필요가 있지만, 도금한 체인에 대한 연구는 큰 하중을 감당할 수 있는 건성(乾性) 체인이 쓰일 날이 멀지 않았다는 것을 시사한다.

페달을 움직이는 속도가 일정한 상태에서 자전거의 속도를 높이는 장치로는 2가지가 있다. 체인을 스프로킷으로부터 스프로킷으로 이동시키는 디레일러 기어와 구동 스프로킷의 속도를 바퀴의 림에 비례해서 변경시키는 유성(遊星) 기어 장치가 그것이다. 디레일러 기어는 체인을 하나의 스프로킷으로부터 크기가 다른 스프로킷으로 이동시키는 기구로 되어 있다. 구동 스프로킷들의 크기를 달리함으로써 크랭크의 1회 왕복당 뒷바퀴의 회전을 크게 할 수도 있고 적게 할 수도 있다.

사이클 선수는 스프로킷 휠을 뒤쪽 프리휠에 최고 6개까지, 그리고 크랭크에 3개까지 사용하여 18 변속비를 낼 수 있다. 이 장치는 체인의 이완을 흡수하기 위해 스프링으로 고정되며, 프레임이나 핸들로부터 케이블에 의해 제어된다. 유성 기어 장치는 영국·독일·일본·미국에서 뒷 허브에 합체된 2·3·4·5단 변속형으로 제작된다. 유성 기어는 핸들이나 프레임 파이프에 장착된 케이블을 이용하여 레버 또는 트위스트그립(twistgrip) 장치에 의해 제어된다. 2단 변속 허브 기어는 브레이크 허브형으로 제작되기도 하며, 스프로킷을 역방향으로 회전시켜서 제어한다.

1920년대에 스터미­아처사(社)는 3단 변속 기어와 코스터 허브 제동기의 결합체를 개발하여 특허를 획득했다. 페달을 거꾸로 밟으면 인청동(燐靑銅)으로 만든 분할 슬리브(split sleeve)가 허브의 외판에 부딪쳐 팽창하여 어떤 날씨에도 순조로운 제동 작용을 하게 된다. 이 방식에서는 아직도 허브 기어를 레버와 케이블을 이용하여 바꾸지 않으면 안 되었다.

가장 일반적인 제동기는 코스터 제동기이다. 이 제동기는 뒷바퀴에서 작동하므로 운전자가 손을 쓸 필요가 없다. 코스터 제동기는 2단 변속 기어와 함께 설치할 수 있는데, 이 경우에도 핸들로부터 유리된다. 코스터 제동기는 기름이나 물에 의해 영향받지 않는 유일한 제동기이며, 정상적으로 사용할 경우 가끔 조정만 해주면 자전거의 수명만큼 오래간다. 내장식(內藏式)의 코스터 외에 자전거의 제동기는 캘리퍼(caliper)·로드(rod)·드럼(drum)의 3가지 종류가 주로 제작된다. 캘리퍼 제동기는 마찰성이 큰 재료로 된 2개의 블록으로 바퀴의 림 양쪽을 눌러서 제동한다. 로드 제동기는 마찰 재료로 만든 2개의 비슷한 패드로 구성되며, 제동기 레버에 연결된 로드에 의해 패드가 안으로부터 림으로 당겨져서 제동한다. 드럼 제동기는 레버에 연결된 케이블이나 로드에 의해 작동되는데, 그것은 레버가 회전할 때 허브 위의 강철제 드럼 안에 있는 브레이크 슈에 장치된 2개의 호형(弧形) 마찰 재료를 열기 때문이다.

안장은 여분의 스프링을 넣건 넣지 않건 간에 보통 플라스틱과 펠트로 만든다. 본래의 안장 재료였던 가죽은 땀을 흡수하는 성질이 있기 때문에 지금도 안장 재료로 높이 평가된다. 가장 간단한 형태의 안장은 고장력강(高張力鋼)으로 만들어진 용수철을 사용하며, 안장의 뒤가 위로 기울어져 있고 앞의 꼭대기에는 볼트가 있다. 이런 형태의 안장은 양질의 가죽으로 만들어졌기 때문에 사용에 무리가 없고 물에 젖게 하지 않으면 승용자의 궁둥이와 같은 모양이 되어 평생 편안히 탈 수 있게 된다. 모든 안장의 약 90％는 비슷한 모양의 강철 뼈대로 제작되며, 그 뼈대 위에 작은 강철 스프링과 여러 가지 속을 넣어 만든 뒤에 폴리염화비닐 시트로 덮는다. 이런 형의 안장은 세탁이 쉽고 방수성이 있으며 값이 싸고 대량생산이 용이하다. 1970년대에 유행한 3번째 형은 사출성형(射出成形)으로 만드는 플라스틱 안장이다. 이 안장은 가장 값이 싸지만 질기고 고정된 성질 때문에 쉽게 모양이 변하지 않는 단점이 있었다. 그러나 이 안장은 디자인이 정교한 경주용으로 큰 인기를 끌었는데, 그것은 우중(雨中)의 변형에 대한 이 안장의 저항력이 높았기 때문이다.

전지 램프는 텅스텐 필라멘트 전구와 건전지를 이용하여 오래전부터 사용되었다. 가장 일반적인 방식의 점등은 자전거의 스테이(stay) 또는 포크에 장치되고 타이어의 측면에 눌려서 구동되는 소형의 휴대용 다이너모(발전기)에 의해 점화된다. 타이어가 회전하여 자전거가 약 16km/h의 속도로 달릴 때 다이너모의 머리 부분에 있는 하나의 톱니바퀴가 약 6V(볼트), 1/2A(암페어)의 전력을 생산한다. 이런 장치는 앞 램프나 뒷 램프를 다이너모 자체에 합체하여 단선(單線)을 통해 프레임을 반환점으로 이용하여 램프를 켜는 것이 많이 있다. 흔히 도구와 수하물과 어린아이를 실어 나르는 짐바구니는 프레임에 납접합(蠟接合)한 러그에 볼트로 죄어 붙이는 경우가 많다. 바퀴가 일으키는 물보라로부터 운전자를 보호하는 장치로는 프레임에 볼트로 죄어 붙이고 와이어 스테이(wire stay)에 의해 바퀴로부터 분리되는 간단한 형태의 판금이나 플라스틱제의 방호구(防護具)가 있다.