둥근 물체들이 다른 것보다 잘 움직이는 것을 두고 우리는 마찰의 저항이 적기 때문이라고 배웠다.
움직이려는 물체는 모두 다 그 물체와 접해 있는 물질, 즉 땅이나 바닥 등과 맞닿아 마찰을 일으키게 되는데 원형(圓形) 또는 구형(球形)의 물체들은 사각형이나 삼각형의 물체에 비해 상대적으로 작은 면적이 맞닿아 있고, 이 때문에 마찰로 빼앗기는 힘이 적어 잘 움직인다는 가르침이었다.
둥근 물체가 잘 움직이는 것은 엄밀히 따져 볼 때 중력때문이다.전체 크기에 비해 바닥 면적이 작은 물체들은 중력때문에 스스로 넘어지려는 힘을 갖게 된다. 둥근 물체의 경우는 움직여도 똑같은 모양이기 때문에 바로 이러한 힘들이 연속적으로 일어날수 있는 것이다. 다시 말해 둥근 물체를 움직이는 데에는 움직이게 하는 힘에다 스스로 넘어지려는 힘이 합쳐지기 때문에 쉽게 움직인다고 보면 된다.
오늘날 인류문명의 근간이 된 바퀴는 바로 이렇게 해서 탄생하게 되었다. 비록 이러한 원리는 몰랐지만 우리의 선조들은 뛰어난 관찰력과 기억력을 통해 구르는 돌 하나, 자신의 먹이를 움직이는 쇠똥구리의 발동작 하나에서 바퀴라는 생각을 떠올릴 수 있었던 것이다.
바퀴에 관하여 가장 오래된 기록은 기원전 3500년경 티그리스, 유프라테스 유역에 거주하던 수메르인의 전쟁벽화에 나타난 전차용 통나무 바퀴의 그림이다. 그 이전 이집트에서 피라미드를 짓기 위해 통나무들을 바위 밑에 끼워 바위를 움직이기도 했지만, 모래가 많은 지형때문이었던지 이집트인들은 주로 썰매를 애용했다.
수메르인은 특히 통나무 원판 하나로 바퀴를 만들면 나뭇결에 따라 쪼개지기 쉽다는 점을 알고 두세개의 통나무 원판을 나뭇결이 서로 엇갈리게 붙인 바퀴를 개발하기도 했는데, 이는 오늘날 합판의 원리와 똑같다.
하지만 이때까지의 바퀴는 속이 꽉 찬 것들이었고 오늘날처럼 가운데 부분이 팬 바퀴는 기원전 2000년경에 아시리아인에 의해 처음 등장했다. 그들은 나무 테두리에 나무살을 박은 전차바퀴를 만들어 냈는데 훨씬 가벼운 무게 때문에 전차의 기동력이 높아졌고, 그 결과 중동지방 전역을 제패할수 있었던 것이다.
이후 나무 테두리에다 짐승 가죽, 철판등을 씌워 마모를 줄인 바퀴들이 차례로 등장했는데, 이 중 서유럽의 켈트인은 바퀴 구멍에 바퀴 축을 그대로 끼우지 않고 소형 나무 원통들을 바퀴 축과 바퀴 구멍 사이에 끼워 넣은 바퀴를 발명하기도 했다. 이는 바퀴가 돌면서 발생하는 마찰과 소음을 대폭 줄이는 장치였는데 오늘날의 바퀴에는 바로 이와 같은 원통형 또는 구형의 베어링이 아직도 사용되고 있다.
고대의 이같은 발명은 15세기까지도 큰 변화없이 그대로 이어지다 1490년 레오나르도 다 빈치가 현재의 자전거 바퀴처런 수십개의 가는 철살 (스포크,spoke)로 바퀴를 지탱하는 방법을 고안해냈다.
이후 바퀴는 원리면에서 큰 변화없이 그대로 이용되다 17세기 '레일'을 만들어 그 위로 바퀴가 움직이게 하는 방법이 등장했다. 당시 유럽은 석탄의 이용이 활발해지면서 광산 개발이 한창이었는데, 울퉁불퉁한 갱도내에서 수레가 쉽게 다니는 방법을 찾다 보니 자연히 나무로 바닥판을 까는 방법이 고안되었다.
영국인 다비는 1796년 바로 이러한 나무판을 오늘날처럼 레일의 형태로 바꾸는 고안을 해냈으며, 이어 이를 철도의 레일에 적용했다. 철도 레일의 발명으로 이후 기차의 눈부신 발전이 가능하게 되었는데 바퀴의 제동장치인 브레이크도 바로 이 과정에서 등장하게 되었다.
19세기 초반의 영국 기차에는 별도의 브레이크 장치가 없었고 목적지에 이를 때쯤 되면 기관사가 증기기관을 끈 뒤 관성에 의해 얼마동안 달리다가 서는 방식이 전부였다. 가끔씩 목적지를 지나 치는 경우도 있었는데 그때에는 남자 승객들이 모두 뛰어내려 기차를 손으로 잡아 세우면 그만이었다.
하지만 19세기 중반 들어 기차의 속도가 50km 가까이 올라가고 객차도 10여개씩 달린 육중한 형태가 되면서 사정은 달라졌다. 갑작스런 장애물이나 사람이 아무리 멀리 있어도 그래도 부딪치는 수 밖에 없어 1853년에는 한 해에 무려 103건의 대형사고가 발생했을 정도였다.
고심끝에 사람의 힘으로 철편을 기차의 바퀴에 접촉시켜 속도를 줄이는 장치가 마련되기는 했지만 거의 효과가 없었다. 5,6명의 기관사의 팔힘만으로는 기차의 엄청난 무게와 속도를 감당할수 없었고 설사 감당한다고 해도 수백개에 달하는 기차 바퀴들을 동시에 세울 수도 없었던 것이다.
이러한 문제는 웨스팅하우스라는 미국의 청년에 의해 해결되었는데, 그는 광산의 증기기관에서 압축된 공기를 관을 통해 지하 갱도에 설치된 착암기까지 순간적으로 밀어넣어 착암기를 움직이게 하는 것을 보고 아이디어를 얻었다.
"광산에서 사용하는 압축공기 장치와 똑같은 원리로 브레이크를 만들
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발명이야기
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