휠체어는 어떻게 앞으로 나갈까? 마찰력·수직항력·접선속도로 푸는 추진 원리

휠체어 육상 선수가 트랙을 빠르게 달리는 모습을 보면 팔의 힘이 놀랍죠. 그런데 그 힘이 어떻게 바퀴를 돌리는지 물리로 풀어 보면 꽤 재미있어요. 자료는 체육 전공 중등교사 임용시험에 나온 문제를 바탕으로 휠체어 추진 원리를 설명해요. 문제 풀이 순서대로 차근차근 정리해 볼게요.

어떤 힘으로 앞으로 나갈까?

선수는 바퀴 옆에 달린 손잡이 고리, 즉 핸드림을 손바닥으로 밀어 바퀴를 돌려요. 이때 손바닥과 핸드림 표면 사이에 생기는 마찰력이 바퀴를 돌리는 힘이 돼요.

손이 미끄러지면 힘이 제대로 전달되지 않아요. 그래서 손과 핸드림이 함께 움직이는 동안 작용하는 정지마찰력이 핵심이에요.

문제에 주어진 조건은?

문제에서 핸드림 반지름은 바퀴 중심에서 0.5m, 바퀴 반지름은 0.7m로 주어져요. 손바닥과 핸드림 사이의 정지마찰계수는 0.5, 운동마찰계수는 0.4예요.

정지마찰계수는 미끄러지기 직전까지 버틸 수 있는 마찰의 크기를, 운동마찰계수는 이미 미끄러지고 있을 때의 마찰 크기를 정해요. 보통 정지마찰계수가 더 커요.

질문이 나올 만한 부분을 미리 세 개쯤 생각해 두면 마음이 편하더라고요. 슬라이드 글자는 크게, 짧게 쓰는 걸 한번 챙겨보면 좋을 것 같아요.

필요한 수직항력은 어떻게 구할까?

문제는 손이 미끄러지지 않으면서 100N의 마찰력을 내려면 손이 핸드림을 최소 얼마의 힘으로 눌러야 하는지 물어요. 최대 정지마찰력은 정지마찰계수에 수직항력을 곱한 값이에요.

만약 선수가 200N보다 약하게 누르면 손이 핸드림 위에서 미끄러지고, 이때는 더 작은 운동마찰계수 0.4가 적용돼 추진력이 크게 줄어들어요.

식으로 쓰면 100N = 0.5 × 수직항력이고, 수직항력은 100 ÷ 0.5 = 200N이 돼요. 즉 선수는 핸드림을 최소 200N의 힘으로 꽉 눌러 잡아야 미끄러지지 않고 100N의 추진력을 만들 수 있어요.

손의 속도와 가속도는?

바퀴가 초당 10라디안의 각속도로 돌 때, 핸드림을 잡은 손도 같은 각속도로 원을 그리며 움직여요. 접선속도는 반지름에 각속도를 곱해 0.5 × 10 = 5m/s예요.

구심가속도는 반지름에 각속도의 제곱을 곱해 구해요. 0.5 × 10² = 50m/s²로, 손이 원을 따라 돌기 위해 중심 쪽으로 받는 가속도가 생각보다 크다는 것을 알 수 있어요.

실제 경기에서는 어떻게 쓰일까?

선수들은 장갑과 핸드림 표면 재질을 바꿔 마찰계수를 높이려고 해요. 마찰계수가 커지면 같은 추진력을 내는 데 필요한 누르는 힘이 줄어 체력 소모를 아낄 수 있어요.

핸드림보다 바퀴가 커서 선수의 손이 한 번 미는 동안 바퀴 바깥쪽은 더 긴 거리를 굴러가요. 이 반지름 차이 덕분에 손의 움직임보다 휠체어가 더 빠르게 앞으로 나갈 수 있어요.

반지름이 작은 핸드림은 손이 덜 움직여도 되지만 같은 회전을 만들기 위해 더 큰 힘이 필요해요. 시험 답안을 쓸 때는 공식, 대입, 단위를 순서대로 적어야 감점을 피할 수 있어요.

이 글은 체육 임용시험 문제 해설 자료을 토대로 캠퍼스다운 편집부가 2026년 10월 22일에 검토해 정리했어요. 세부 기준은 시점에 따라 달라질 수 있어요.