자전거 브레이크 패드 작동 원리: 제동력의 과학

자전거의 작은 브레이크 패드가 어떻게 라이더와 자전거를 빠르게 멈출 수 있는지 궁금해 본 적이 있나요?

대부분의 사람들은 브레이크 패드가 자전거를 멈추게 하는 역할을 한다는 것을 알고 있습니다. 하지만 실제로 어떻게 작동하는지 이해하는 사람은 거의 없습니다. 모든 부드러운 정지와 안정적인 내리막길 주행에는 물리학, 공학, 그리고 스마트 소재 과학이 융합되어 있습니다!

브레이크 패드의 과학적 원리와 어떤 패드가 다른 패드보다 성능이 더 뛰어난지 알아보겠습니다.

1. 기본: 움직임을 열로 변환

과학 시간에 에너지는 생성되거나 소멸될 수 없고, 오직 한 형태에서 다른 형태로 전환될 뿐이라고 배웠던 거 기억하시죠? 브레이크를 밟는 과정에서 바로 그런 일이 일어나거든요!

자전거가 움직일 때는 운동 에너지 , 즉 운동 에너지가 발생합니다.

운동 에너지는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

0.5 x 시스템의 질량 x 속도의 제곱.

따라서 총 운동 에너지는 2가지 변수에 따라 달라진다는 것을 알 수 있습니다.

1) 라이더와 자전거의 질량

2) 속도 (얼마나 빨리 가는지).

시스템의 질량 및/또는 속도가 무거울수록 에너지는 커집니다. 그러나 운동 에너지는 속도의 제곱에 비례하기 때문에 속도는 총 에너지에 큰 영향을 미칩니다.

속도가 두 배로 빨라질 때마다 총 운동 에너지는 네 배로 증가합니다! 긴 내리막길을 달릴 때는 견고하고 안정적인 제동이 필수 입니다!

요즘 대부분의 자전거에 널리 쓰이는 유압 디스크 브레이크의 경우, 브레이크 레버를 당기면 브레이크 유체가 다음과 같이 밀려납니다.

1. 패드를 로터에 밀어 넣는 브레이크 캘리퍼
2. 패드와 로터 사이의 마찰은 운동 에너지를 열 에너지로 변환하고, 잠재적으로는 소리 에너지(브레이크 삐걱거리는 소리)로도 변환합니다. 😖
3. 회전자와 그 주변의 공기가 열을 분산시킵니다.

이는 정확한 변환 과정입니다. 운동(운동 에너지) > 마찰 > 열(열 에너지) > 자전거 정지.

마찰이 너무 적으면 제동력이 약해집니다.

열이 너무 많으면 브레이크 페이드, 브레이크 패드 광택 저하, 심지어 로터 휘어짐까지 발생합니다!

이것이 브레이크 패드 설계가 마찰과 열을 생성하는 데 그치지 않고 제어하는 ​​데 중점을 두는 이유입니다.

2. 마찰: 제동력의 기초

브레이크 패드는 두 가지 유형의 마찰을 통해 자전거를 멈춥니다.

접착 마찰

로터가 움직이는 동안 패드가 로터에 닿으면 마찰과 열이 브레이크 패드 재질 층을 로터 위로 전달합니다 . 이를 전달층이라고 합니다. 자동차가 번아웃이나 드리프트를 당했을 때의 노면을 떠올려 보세요.

이 전달층 때문에 로터를 제대로 고정 하는 것이 매우 중요합니다! 디스크 브레이크 자전거를 타는 사람이라면 누구나 디스크 브레이크가 제대로 고정되기 전까지는 제동력이 얼마나 약한지 잘 알고 있을 것입니다.

브레이크를 밟을 때 이 전달 층은 순간적으로 결합하고 브레이크를 걸어 자전거 속도를 늦추고 우리가 다룰 다른 유형의 마찰, 즉 연마 마찰에 비해 파괴력이 훨씬 낮습니다.

연마 마찰

패드 표면이 로터에 살짝 마찰될 때 발생합니다. 마찰이 발생할 때마다 아주 작은 물질층이 제거되면서 에너지가 열로 변환됩니다. 이로 인해 패드 마모가 빨라지고 로터가 손상되지만, 이는 자전거를 멈추면 피할 수 없는 대가입니다! 에너지는 어딘가로 가야 합니다...

3. 열: 숨겨진 적

급제동 시 패드-로터 인터페이스의 온도는 최대 250 °C 까지 올라갈 수 있습니다!

예:
75kg의 라이더와 9kg의 자전거가 시속 40km로 달리면 약 5185J의 운동 에너지를 지닙니다. 시속 40km에서 완전히 멈출 때까지 최대한 강하게 브레이크를 밟으면 두 개의 브레이크 로터가 약 47 °C 까지 가열됩니다. 이는 기본 열전달 방정식을 사용하여 계산됩니다.

Δ T =Q/( m × c) , 어디:

• $Q$ 는 열에너지(운동에너지 5185J)이고,
• $m$ 은 로터의 질량(110g으로 가정)이고,
• $c$ 는 로터 재료의 비열입니다(스테인리스강이라고 가정).

또한 제동력은 결국 2개의 동일한 로터 사이에 분산되고, 공기와 로터 시스템 사이에 열 전달이 없다고 가정합니다 .

상황을 바꿔서, 이전과 같은 조건에서 시속 50km 로 브레이크를 밟으면 각 로터의 온도가 88 °C 까지 상승합니다! 주변 온도는 고려하지 않은 수치라는 점을 기억하세요.

로터와 브레이크 패드가 얼마나 많은 충격을 견뎌야 하는지, 특히 길고 빠른 내리막길이나 전기 자전거와 같은 무거운 시스템에서는 어떤지 알 수 있습니다.

당연히 패드와 로터는 이 열을 제대로 관리해야 합니다. 그렇지 않으면 문제가 발생하기 시작합니다.

• 브레이크 페이드: 과열되면 브레이크 패드 소재의 마찰력이 떨어져 제동력이 급격히 떨어집니다. 시마노와 같은 브레이크 패드 제조업체는 이러한 이유로 브레이크 패드 뒷면에 냉각 핀을 추가합니다.
• 유약화: 패드가 살짝 녹아 굳어지고 매끄러워지는 현상으로 그립감이 떨어집니다.
• 로터 휘어짐: 열이 고르지 않게 팽창하면 로터가 휘어져 맥동이나 마찰이 발생합니다.

강철 로터가 노랗게/갈색/보라색/파란색으로 변하는 것을 본 적이 있다면, 이는 강철이 산화되기 시작했으며 온도가 200 °C를 훌쩍 넘었다는 신호입니다.

4. 모든 것의 균형: 열, 견인력, 제어력

실질적인 측면에서 마찰 과 열 관리는 자전거 제동 시스템의 성능을 결정합니다. 하지만 자동차와 마찬가지로 자전거 브레이크는 무한한 힘을 내거나 극한의 온도를 영원히 견딜 수는 없습니다.

아무리 좋은 브레이크 패드와 로터라도 한계는 있습니다. 너무 세게 밟으면 과열되거나, 윤기가 나거나, 색이 바래기도 합니다. 하지만 또 다른 한계가 있습니다. 바로 접지력입니다 .

브레이크가 아무리 강력하더라도 타이어가 도로나 트레일을 접지하는 능력에 따라 제동력이 달라집니다. 제동력이 견인력을 초과하면 타이어가 미끄러지거나 접지력을 잃어 조종력이 떨어지고 제동 거리가 늘어납니다.

그렇기 때문에 좋은 브레이크 시스템은 단순히 제동력만으로 결정되는 것이 아닙니다. 다음 요소들의 균형을 이루는 것이 중요합니다.

• 빠르고 안전하게 멈출 수 있을 만큼 충분한 마찰을 생성합니다.
• 브레이크가 일정하게 유지되도록 열을 관리하고
• 그 힘을 타이어의 그립력에 맞추는 것입니다.

디자인 관점에서 볼 때, 현대 자전거 브레이크는 이러한 균형을 모두 고려했습니다. 목표는 건조한 아스팔트, 자갈길, 젖은 내리막길 등 어떤 조건에서도 제어력이나 안정성을 희생하지 않고 최대의 제동 성능을 제공하는 것입니다.

5. 브레이크 패드 재료

자전거와 관련된 다양한 상황을 고려하여 제조업체에서는 다양한 화합물로 제조된 브레이크 패드를 출시했으며, 각 유형은 다른 유형보다 특정 주행 특성에 더 적합합니다.

브레이크 패드 화합물은 매우 다양한 화합물을 사용하여 제조될 수 있기 때문에 모든 브레이크 패드 제조업체는 고유한 제조법을 고수합니다!

일반적으로 사용되는 다양한 화합물에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

6. 마무리 생각

제동은 단순히 힘만으로 이루어지는 것이 아닙니다. 제어력, 일관성, 그리고 자신감이 중요합니다. 모든 부드러운 제동 뒤에는 물리적인 힘과 소재 디자인의 균형이 있습니다.

브레이크 패드는 라이딩할 때마다 제동력을 조절합니다. 따라서 패드를 교체할 때는 과학적인 설계를 바탕으로 제작된 패드를 선택하세요. 제동력에 있어서는 믿을 수 있는 브레이크가 필수적이기 때문입니다.

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