기차는 어떻게 회전할 수 있을까요?

어제는 추석 특집으로 교통체증의 원리에 대해 알아보았었는데요, 아마 기차로 이동하시는 구독자 분들도 적지 않으실 것 같습니다. 오늘은 그런 분들을 위해 기차에 관한 내용으로 준비해 보았습니다. 이전에 비행기가 어떻게 회전을 하는지에 대해 메일을 보낸 적이 있는데요, 오늘은 기차가 어떻게 회전하는지에 대해 알아보겠습니다.

질문 자체가 의아하실 수 있을 것 같습니다. 철로가 휘어져 있으면 그대로 기차가 돌 텐데 특별히 회전에 대해 설명할 게 있나 싶을 수 있습니다. 하지만 기차 바퀴와 자동차 바퀴에는 결정적인 차이가 있습니다.

물체가 왼쪽으로 회전하는 상황을 상상해 봅시다. 오른쪽에 있는 바퀴는 왼쪽에 있는 바퀴보다 긴 거리를 이동하게 됩니다. 따라서 차가 좌회전을 할 때에는 오른쪽 바퀴가 왼쪽 바퀴보다 더 많이 회전합니다.

그런데 기차의 경우 이것이 불가능합니다. 기차 바퀴를 만들 때에는 차륜과 차축을 압입(공정 동영상)하여 한 덩어리로 만들어 버립니다. 따라서 기차의 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴의 회전 수는 언제나 일치합니다.

그렇다면 회전 시 양쪽 바퀴가 다른 거리를 이동해야 하는 문제를 기차는 무슨 수로 해결할 수 있을까요? 답은 위의 그림에 나와 있습니다. 기차의 바퀴는 바깥쪽과 안쪽의 지름이 다릅니다. 기차가 왼쪽으로 회전하는 상황에서 기차는 원심력으로 인해 궤도 오른쪽으로 쏠립니다. 이 때 왼쪽 바퀴는 지름이 작은 바깥쪽이 궤도와 맞물리고, 오른쪽 바퀴는 지름이 큰 안쪽이 궤도와 맞물립니다. 양쪽 바퀴의 회전 수는 같을지라도 오른쪽 바퀴의 지름이 더 커지면서 이동 거리도 더 늘어나게 됩니다.

이 형태는 기차가 궤도에서 이탈하지 않도록 돕습니다. 기차가 어느 한쪽 궤도로 쏠렸을 경우, 이 바퀴의 형태 때문에 다시 안쪽으로 돌아오는 힘을 받게 됩니다. 아래의 영상으로 시각적인 설명을 갈음합니다.