레일의 발명은 '바퀴 자국'을 방지하는 아이디어에서 시작
철도에는 여러 가지 즐기는 방법이 있습니다. 타는 것을 즐기는 사람(乗り鉄), 사진 찍는 것을 즐기는 사람(撮り鉄), 역을 탐방하는 사람(駅鉄), 시각표를 연구하는 사람(時刻表鉄) 등 다양한 취미가 존재합니다. 철도를 추구하면 할수록 새로운 측면이 드러나며, 철도의 매력은 끝이 없습니다. 역사, 기술, 철도의 종류, 고속철도, 운영 방식 등 다양한 측면이 있습니다. 차량이나 선로뿐만 아니라 운영 메커니즘까지 철저히 해설한 ‘최신 도해 철도의 과학: 차량, 선로, 운영 메커니즘’(블루백스)에서 특히 추천하는 주제를 소개합니다.
이번에는 의외로 잘 알려지지 않은 ‘레일의 발명’에 대해 해설하겠습니다.
레일의 발명은 '바퀴 자국(轍)'을 방지하는 노력에서 시작되었습니다. 말이 지나가면 지면에 바퀴 자국이 생깁니다.
철도의 기원을 알기 위해서는 ‘철도의 기원’이 궁금합니다만, 여러 가지 설이 있습니다. 기원전 3000년경 메소포타미아 문명 시대에 바퀴가 발명된 것이 나중에 철도의 탄생으로 이어진 것은 확실하지만, 그 후 현재에 이르기까지의 경위는 명확하지 않습니다.
그래서 이 책에서는 현재 유력하다고 여겨지는 설 중 하나를 소개합니다. 그 설의 키워드는 ‘바퀴 자국’입니다.
바퀴가 달린 차량은 나중에 말이 끄는 마차가 되어 육상 운송을 크게 바꾸었습니다. 이 때문에 바퀴의 발명은 인류 역사상 특히 중요한 것으로 여겨집니다.
차량이 지면 위를 달리면 바퀴 자국이 생깁니다. 바퀴 자국이란 바퀴가 지나간 자국으로, 바퀴에 가해지는 하중이 크거나 지면이 부드러우면 깊게 새겨집니다.
이로 인해 차량이 여러 번 통과하면 많은 바퀴 자국이 새겨져 지면의 울퉁불퉁함이 심해지고, 바퀴가 통과하기 어려워집니다. 또한 비가 내려 지면이 부드러워지면 바퀴가 깊이 파묻혀 움직이지 못하는 경우도 있습니다.
그래서 인류는 바퀴 자국이 생기는 것을 피하기 위해 레일을 깔고 그 위에 바퀴를 굴리는 방식을 고안했습니다.
16세기의 목제 레일 위 사진은 독일의 탄광에서 사용된 트롤리의 복제품입니다. 바퀴와 레일은 목재로 되어 있습니다. 아래 사진은 철제 바퀴와 레일을 사용한 차량의 복제품입니다. 모두 독일 베를린에 있는 독일 기술 박물관에서 촬영되었습니다.
인류가 레일을 발명한 시기는 확실하지 않지만, 16세기에는 독일이나 영국의 탄광에서 목재 레일이 사용되었습니다. 이는 목재 바퀴가 달린 트롤리를 운행하기 위한 것이었고, 탄광에서 채굴한 석탄을 운반하기 위해 사용되었습니다.
목재는 금속보다 구하거나 가공하기 쉽고 가볍다는 장점이 있습니다. 그 반면, 열화하기 쉽고 큰 하중을 견디지 못한다는 약점이 있습니다.
그래서 인류는 목재 대신 철을 사용하게 되었습니다. 철은 목재보다 튼튼하고 변형이 적은 재료일 뿐만 아니라, 구하기 쉬운 금속 재료였습니다. 실제로 영국의 광산에서는 1750년대부터 철제 바퀴와 레일이 사용되었습니다.
탈선 방지를 위한 장치 바퀴 또는 레일에 플랜지를 붙여 탈선을 방지합니다.
바퀴가 레일 위를 계속 굴러가기 위해서는 탈선을 방지하는 구조가 필요합니다. 이 때문에 바퀴 또는 레일에 ‘플랜지’라는 돌출부(턱)를 붙이게 되었습니다.
현재의 철도에서는 바퀴에 플랜지를 붙이는 방식이 채택되고 있습니다. 그 명확한 이유는 확실하지 않지만, 바퀴에 플랜지를 붙이는 것이 레일의 구조를 간단하게 할 수 있고, 후술하는 바와 같이 곡선을 돌기 적합한 구조로 만들 수 있다는 이유가 있을 것이라고 생각합니다.
탈선을 방지하기 위한 방법
곡선을 통과하기 위한 교묘한 장치 여기까지는 주로 레일의 발명에 대해 설명했으므로, 다음으로 바퀴의 구조에 대해 알아보겠습니다.
철도 차량과 자동차의 큰 차이점은 무엇일까요?
철도 차량은 자동차와 같은 ‘차량’이므로, 곡선 구간을 돌 수 있는 것은 당연하지 않을까요? 그렇게 생각하시는 분도 계실 것입니다. 물론 철도 차량은 자동차와 마찬가지로 바퀴가 달린 ‘차량’이므로 그렇게 생각하셔도 이상하지 않습니다.
그러나 곡선 구간을 통과하는 방식은 철도 차량과 자동차가 크게 다릅니다. 양자의 방식을 비교해 봅시다.
자동차가 곡선 구간에 들어서면 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 빠르게 회전합니다. 곡선 구간에서는 바깥쪽 바퀴가 안쪽 바퀴보다 긴 거리를 달리기 때문입니다.
한편 철도 차량이 곡선 구간에 들어서면 바깥쪽과 안쪽 바퀴가 동일한 회전 속도로 회전합니다. 곡선 구간에서는 바퀴가 구르는 좌우 레일의 길이에 차이가 생기는데도 불구하고 말입니다.
그러면 왜 철도 차량은 곡선 구간을 통과할 수 있을까요? 좌우 레일의 길이 차이에 어떻게 대응하는 걸까요? 그 비밀을 알아봅시다.
철도 차량이 곡선 구간을 통과할 수 있는 비밀은 바퀴의 구조에 있습니다. 즉, 좌우 레일의 길이 차이에 대응할 수 있도록 바퀴가 특수한 형태로 되어 있는 것입니다.
바퀴와 차축은 일체화되어 있습니다
그러면 본론에 들어가기 전에, 철도 차량의 바퀴와 차축의 관계에 대해 설명하겠습니다.
철도 차량에서는 좌우 두 개의 바퀴와 하나의 차축이 세트로 고정되어 있기 때문에, 좌우 바퀴는 항상 동일한 회전 속도로 회전합니다. 즉, 좌우 바퀴가 동일한 차축으로 연결되지 않은 자동차와는 바퀴가 구르는 방식이 근본적으로 다릅니다.
이렇게 좌우 바퀴와 차축이 세트로 된 것을 철도에서는 ‘륜축’이라고 부릅니다. 륜축은 차량이 레일 위를 달리는 데 중요한 부품 중 하나입니다.
이 때문에 철도 차량에는 디퍼렌셜 기어(차동 장치)가 없습니다. 디퍼렌셜 기어는 좌우 바퀴의 회전 속도 차이를 흡수하여 동력을 전달하는 동력 전달 장치로, 자동차에는 필수적인 존재입니다.
하지만 철도 차량에서는 좌우 바퀴가 동일한 차축으로 연결되어 있고, 차축에 동력을 전달하면 좌우 바퀴를 동일한 회전 속도로 회전시킬 수 있기 때문에 디퍼렌셜 기어가 필요 없습니다.
커브를 통과하기 위한 기술
이제부터가 본론입니다. 앞서 말했듯이 철도 차량의 바퀴는 특수한 형태로 되어 있습니다.
철도 차량의 바퀴에는 플랜지와 전면이라고 불리는 부분이 있습니다. 플랜지는 탈선을 방지하기 위한 돌출부(턱)이며, 전면은 레일과 접촉하는 면입니다.
이 전면은 원뿔의 일부분을 잘라낸 형태로, 바깥쪽으로 갈수록 레일과 접촉하는 부분의 원주가 작아집니다. 엄밀히 말하면 원호의 일부분을 잘라낸 형태를 채택한 예도 있지만, 여기서는 원뿔형이 된 원뿔 전면에 대해 설명합니다.
륜축은 곡선 구간에서는 레일을 따라 돌며, 직선 구간에서는 좌우로 치우치지 않고 굴러갈 수 있습니다. 즉, 륜축에는 레일을 따라 스스로 방향을 조정하며 구르는 기능이 있습니다. 이 기능을 ‘자기 조타 기능’이라고 합니다.
철도의 자기 조타 기능이란? 륜축의 자기 조타 기능.
자기 조타 기능에 대해 조금 더 자세히 설명하겠습니다.
예를 들어 오른쪽으로 커브를 도는 곡선 구간에서는, 륜축은 궤도의 중심보다 왼쪽(커브의 바깥쪽)으로 치우쳐 굴러갑니다. 이때 왼쪽 바퀴는 레일과 접촉하는 부분의 원주가 오른쪽 바퀴보다 커집니다.
하지만 좌우 바퀴는 동일한 속도로 회전하기 때문에 왼쪽 바퀴는 오른쪽 바퀴보다 빠르게 나아가게 되며, 륜축에 회전 모멘트가 작용하여 오른쪽으로 회전하게 됩니다. 이로 인해 륜축은 레일을 따라 스스로 방향을 조정하여 돌 수 있습니다.
레일의 길이 차이에 대해서는 레일과 접촉하는 부분의 원주의 좌우 차이로 대응합니다. 즉, 오른쪽 바퀴의 원주보다 왼쪽 바퀴의 원주가 커짐으로써 좌우 레일의 길이 차이에 대응하는 것입니다.
한편 직선 구간에서는 륜축은 기본적으로 곧바로 굴러갑니다. 만약 륜축이 오른쪽 레일에 가까워지면(오른쪽으로 변위하면) 레일과 접촉하는 부분의 원주가 좌우 바퀴에서 다르게 되어 륜축에 회전 모멘트가 작용하여 궤도의 중심으로 돌아가려는 복원력이 발생합니다. 즉, 륜축의 위치가 좌우 어느 한쪽으로 치우치면, 중앙으로 되돌리는 힘이 작용하여 륜축이 레일을 따라 곧바로 굴러갈 수 있는 것입니다.
륜축에는 이러한 자기 조타 기능이 있기 때문에 레일을 따라 철도 차량의 진로를 안내할 수 있습니다. 철도 차량이 자동차와 같은 조타 기능 없이도 레일을 따라 달릴 수 있는 것은 륜축이 굽은 레일에 맞춰 굴러가는 방향을 자동으로 변경하고 조타하기 때문입니다.
이 때문에 철도 운전사는 진행 방향을 정하는 조타를 조작할 필요가 없습니다. 앞서 말했듯이 항공기나 자동차, 배에는 사람이 조타를 하기 위한 핸들이 존재하지만, 전차를 포함한 철도 차량의 운전대에는 그것이 존재하지 않습니다. 그것은 앞서 소개한 자기 조타 기능이 있기 때문입니다.
이 자기 조타 기능을 이용하면, 많은 차량을 연결하여 달릴 수 있으며, 1열차당 수송력을 크게 할 수 있습니다. 레일을 따라 각 차량의 륜축이 자동으로 조타를 하기 때문입니다.