나뭇잎 교과서

교통수단과 미래 사회

증기 기관차는 사람을 빠르게 옮겼을 뿐 아니라 시계를 맞추는 법까지 바꾸었습니다. 오늘날에는 전기차와 자율 주행이 다음 변화로 꼽힙니다. 교통수단은 무엇을 바탕으로 발전했고, 미래는 무엇을 기준으로 예측해야 할까요?

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교통수단과 미래 사회

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고속 열차는 시속 300 km로 달리고, 승용차는 고속도로에서 시속 100 km 정도로 달린다. 빠를수록 공기 저항이 커지므로 고속 열차가 에너지를 훨씬 많이 쓸 것 같다. 그런데 승객 한 사람을 1 km 옮기는 데 드는 에너지로 비교하면 결과가 정반대이다. 왜 그럴까? 그리고 증기 기관차에서 전기 자동차까지, 교통수단의 발전은 사회를 어떻게 바꾸었을까?

그림 1. 교통수단별로 승객 한 사람을 1 km 옮기는 데 드는 에너지(kWh, 대략값). 승용차에 혼자 타면 고속 열차의 약 10배를 쓰고, 여럿이 타면 줄어든다.
먼저 알아야 할 것열기관과 효율, 일과 운동 에너지, 공기 저항(물리학, 역학과 에너지), 감염병과 사회(감염병과 사회).

2.5.1한 사람당 에너지

교통수단이 쓰는 에너지는 주로 공기 저항, 바퀴의 구름 저항, 엔진의 열 손실로 사라진다. 고속 열차는 빠르지만 길고 매끈하여 승객 한 사람이 차지하는 앞면 넓이가 작고, 쇠바퀴가 쇠 레일 위를 굴러 구름 저항이 고무 타이어의 수 분의 1이다. 그리고 전기 모터는 휘발유 엔진보다 효율이 훨씬 높다. 무엇보다 승객 수백 명이 함께 타므로, 전체 에너지를 사람 수로 나누면 작아진다.

정리 2.5.1 승객 1인 1 km당 에너지

\[\text{1인 1 km당 에너지} = \frac{\text{1 km를 달리는 데 드는 에너지}}{\text{탄 사람 수}}\] 교통수단을 비교할 때는 차량 하나가 아니라 승객 한 사람을 기준으로 따져야 한다.

그림 1에서 승용차에 탄 사람 수를 바꾸어 보자. 휘발유 승용차는 1 km에 약 0.6 kWh를 쓰므로 혼자 타면 1인당 0.6 kWh이다. 고속 열차는 약 0.06 kWh로 10분의 1이다. 승용차에 네 명이 타면 0.15 kWh로 버스와 비슷해진다. 그래서 교통의 에너지를 줄이는 가장 쉬운 방법은 함께 타는 것이다.1

2.5.2교통과 사회

19세기 증기 기관차는 마차로 며칠 걸리던 거리를 몇 시간으로 줄여, 도시와 시장을 하나로 묶고 시간대를 표준화하게 했다. 20세기 자동차는 개인이 원하는 곳에 언제든 갈 수 있게 하여 도시의 모양을 넓게 퍼뜨렸지만, 대기 오염과 교통사고, 온실가스라는 문제도 낳았다. 이제 전기차와 자율 주행차가 등장하면서, 에너지원과 안전, 책임과 일자리에 관한 새로운 질문이 생기고 있다.

교통수단바꾼 것남긴 과제 증기 기관차시장 통합, 표준시석탄 매연 자동차개인 이동, 교외 확장사고, 대기 오염, 온실가스 전기·자율 주행차배출 감소, 운전 자동화전력원, 책임, 일자리
그림 2. 교통수단은 이동의 빠르기와 함께 도시, 환경, 일자리의 모습을 바꾸었다.

2.5.3예제 풀이

예제 2.5.2

서울에서 부산까지 약 400 km를 간다. 휘발유 승용차는 1 km에 0.62 kWh, 고속 열차는 승객 1인당 0.06 kWh를 쓴다. 혼자 승용차로 갈 때와 고속 열차로 갈 때의 에너지를 구하여라. 휘발유 1 L가 약 8.9 kWh라면 승용차로 가는 데 휘발유가 몇 L 드는가?

승용차는 \(0.62 \times 400 = 248\) kWh, 고속 열차는 \(0.06 \times 400 = 24\) kWh이다. 승용차가 약 10배이다.

휘발유는 \(\dfrac{248}{8.9} \approx 28\) L가 든다. 같은 에너지로 고속 열차는 약 10명을 부산까지 데려간다. 고속 열차가 빠르게 달리면서도 에너지를 덜 쓰는 것은 바퀴와 레일, 효율 높은 전기 모터, 많은 승객 덕분이다. 즉 교통수단을 고를 때 빠르기만이 아니라 한 사람당 에너지까지 따지면, 사회 전체의 에너지와 온실가스를 크게 줄일 수 있다.

아래 탐구 카드에서 고속 열차와 승용차의 에너지를 직접 비교하고, 교통이 사회를 바꾼 과정을 살펴보자.

  1. 값은 차종, 속도, 승차율에 따라 크게 달라진다. 고속 열차도 승객이 거의 없이 달리면 1인당 에너지가 몇 배로 커진다. 여기서는 일반적인 어림값을 썼다.
마무리

교통수단의 에너지는 승객 한 사람을 1 km 옮기는 데 드는 양으로 비교해야 하며, 고속 열차는 낮은 구름 저항, 효율 높은 전기 모터, 많은 승객 덕분에 혼자 탄 승용차의 약 10분의 1을 쓴다. 교통의 발전은 시장과 도시를 바꾸었지만 환경과 안전의 과제도 남겼다. 그래서 처음 질문의 답은 고속 열차이다. 빨리 달려도 한 사람당 에너지는 훨씬 적다.

탐구 1

시속 300 km 고속 열차와 시속 100 km 승용차, 한 사람을 1 km 옮기는 데 누가 에너지를 덜 쓸까?

교통수단과 미래 사회 · 공기 저항과 효율 · 모식 계산
공기 저항이 차지하는 몫
—
승객 1명·1 km당 에너지
—
승객 1명·1 km당 CO₂
—

모식 계산이다. 힘 = ½ρCdAv² (공기 저항) + Crrmg (구름 저항)으로 일정한 속력의 주행만 계산했고, 차량의 질량·공기 저항 계수·효율은 대표적인 대략값이다. 출발·정지, 오르막, 냉난방, 차량 제작에 드는 에너지는 넣지 않았다. 비행기는 이 식으로 계산할 수 없어 대략적인 참고값(제트 여객기 만석 기준 약 0.2 kWh/명·km)만 막대로 넣었다. 우리나라 전기의 CO₂ 배출은 2020년대에 1 kWh당 0.4~0.5 kg 수준이다.

  1. 질문증기 기관차가 등장한 뒤 200년 동안 사람은 점점 더 빨리 움직이게 되었다. 빨라질수록 에너지는 얼마나 더 들까? 그리고 미래의 교통수단은 무엇을 기준으로 골라야 할까?
  2. 복원일정한 속력으로 달리는 차는 저항력만큼 힘을 내야 하고, 1 km를 가는 데 드는 일은 힘 × 거리이다. 공기 저항력은 속력의 제곱에, 바퀴의 구름 저항은 무게에 비례한다. 연료나 전기의 에너지 가운데 바퀴를 굴리는 데 쓰이는 비율이 효율이다.
  3. 설명속력이 2배가 되면 공기 저항력은 4배가 되고, 같은 거리를 가는 데 드는 에너지도 공기 저항 부분은 4배가 된다. 그래서 고속에서는 앞면적이 작고 매끈한 모양이 중요하다. 열차는 쇠바퀴와 레일 사이의 구름 저항이 고무 타이어의 수 분의 1이고, 수백 명이 긴 차체 하나의 앞면을 나눠 쓰기 때문에 한 사람당 에너지가 작다. 전기 모터는 바퀴까지의 효율이 80~90 %로, 열의 대부분을 버리는 엔진(20~35 %)보다 훨씬 높다.
  4. 연결교통의 역사는 더 큰 동력을 더 효율적으로 쓰는 역사였다. 증기 기관은 철도를 낳았고, 내연 기관은 자동차와 비행기를, 전기 모터와 배터리는 전기차와 고속 열차를 낳았다. 앞으로의 교통은 빠르기만이 아니라 에너지와 탄소 배출, 안전, 도시 공간을 함께 따져 설계해야 한다.
  5. 적용승용차를 고르고 속력을 60, 100, 140 km/h로 바꿔 보자. 공기 저항의 몫은 어떻게 변하는가? 좌석 채움을 20 %(5인승에 1명)에서 80 %로 올리면 한 사람당 에너지는 몇 분의 1이 되는가? 전기 1 kWh당 CO₂를 0.9 kg(석탄 위주)과 0.05 kg(재생 에너지·원자력 위주)으로 바꾸면 전기차와 휘발유차의 순서는 어떻게 되는가?
  6. 판단“전기차는 배출이 0이다”는 틀린 말이다. 배기관에서 나오지 않을 뿐, 전기를 만드는 발전소와 배터리를 만드는 공장에서 배출이 생긴다. 반대로 “고속 열차는 빨라서 에너지를 많이 쓴다”도 한 사람 기준으로는 맞지 않을 수 있다. 결과는 속력보다도 몇 명이 함께 타는가와 에너지를 어디서 얻는가에 크게 달려 있다. 이 계산은 일정한 속력으로 달리는 경우만 다룬 모형이라, 자주 서고 출발하는 도시 주행에서는 무게와 제동 에너지 회수가 더 중요해진다.

확인조건이 달라지면

고속도로에서 승용차가 시속 100 km에서 시속 130 km로 속력을 올렸다. 이때 공기 저항을 이기는 데 드는 1 km당 에너지는 대략 몇 배가 될까?

읽기 2

증기 기관차에서 자율 주행차까지, 교통은 사회를 어떻게 바꾸었을까?

읽기 · 과학기술과 교통수단의 발달, 미래 사회 예측

1800년에 서울에서 부산까지 가려면 걸어서 열흘 넘게 걸렸다. 오늘날 고속 열차로는 3시간이 안 걸린다. 이동 시간이 줄어든 것만이 아니다. 사람들이 사는 곳, 일하는 방식, 시간을 재는 법까지 바뀌었다.

1열기관과 철도, 시간표가 세상을 맞추다

18세기 영국에서 광산의 물을 퍼내던 증기 기관은 와트가 응축기를 따로 둔 개량(1769년 특허)으로 효율이 크게 높아졌다. 이 열기관을 바퀴에 달자 철도가 생겼다. 1830년 영국 리버풀과 맨체스터 사이에 증기 기관차가 사람과 화물을 정기적으로 실어 나르는 철도가 열렸다. 열을 일로 바꾸는 효율을 높이려는 노력은 열역학이라는 과학을 낳기도 했다.

철도는 시간을 바꾸었다. 그전에는 도시마다 해의 위치로 정한 자기 시각을 썼는데, 그러면 열차 시간표를 짤 수 없었다. 영국 철도 회사들은 1840년대에 런던의 그리니치 시각으로 시계를 맞추었고, 미국과 캐나다 철도는 1883년 시간대를 도입했다. 이듬해 국제 회의에서 그리니치를 지나는 경선이 세계 경도의 기준이 되었다. 오늘날 우리가 쓰는 표준시는 철도에서 시작된 셈이다.

우리나라에서는 1899년 서울에 전차가 다니기 시작했고, 같은 해 노량진과 제물포(인천)를 잇는 경인선이, 1905년에는 경부선이 개통되었다. 철도는 근대 교통의 시작이었지만, 일제가 대륙 침략과 자원 수탈을 위해 철도 부설을 서두른 역사도 함께 기억해야 한다. 2004년에는 고속 철도(KTX)가 개통되었다.

2내연 기관과 비행기, 개인과 세계를 잇다

시기기술바탕이 된 과학·공학사회의 변화
1880년대휘발유 자동차내연 기관, 석유 정제개인이 원할 때 떠나는 이동
1900~1910년대대량 생산 자동차 (포드 모델 T, 조립 라인)표준화된 부품, 공정 관리자동차 대중화, 교외 주거지 확대
1903년동력 비행 (라이트 형제)양력과 조종 원리, 가벼운 엔진항공 시대의 시작, 전쟁의 양상 변화
1950년대제트 여객기, 컨테이너 화물선가스 터빈, 합금 재료대륙 간 여행과 세계적 공급망
1960년대~고속 철도전기 모터, 공기 역학, 신호 제어대도시 사이를 하루 생활권으로
2010년대~전기차, 자율 주행 기술리튬 이온 전지, 센서, 인공지능배출 감소와 새 산업, 일자리 변화

교통의 발달에는 그늘도 있다. 세계에서 도로 교통사고로 해마다 100만 명이 넘게 숨지고, 교통은 에너지와 관련된 이산화 탄소 배출의 약 5분의 1을 차지한다. 도시는 자동차가 다닐 길과 주차장으로 넓은 땅을 내주었고, 대기 오염과 소음이 늘었다.

3미래 교통을 예측하는 방법

전기차, 수소 연료 전지차, 자율 주행차, 도심 항공 교통(UAM) 같은 기술이 미래 교통으로 거론된다. 예측을 할 때는 기술의 가능성만이 아니라 다음을 함께 따져야 한다.

먼저 물리적 한계가 있다. 빨라질수록 공기 저항으로 에너지가 속력의 제곱에 비례해 늘어난다. 배터리는 같은 무게의 연료보다 저장하는 에너지가 훨씬 적어, 무거운 장거리 수송에는 한계가 있다.

에너지의 출처도 따져야 한다. 전기차와 수소차의 배출은 전기와 수소를 어떻게 만드느냐에 따라 크게 달라진다.

사람의 행동도 변수이다. 이동이 편하고 싸지면 더 자주, 더 멀리 다니게 되어 효율이 높아진 만큼 총사용량이 줄지 않을 수 있다.

책임과 규칙의 문제도 있다. 자율 주행차가 사고를 내면 누가 책임지는가, 피할 수 없는 사고에서 무엇을 우선하도록 설계하는가는 기술만으로 답할 수 없는 사회적 결정이다. 운전으로 생계를 잇는 사람들의 일자리 문제도 있다.

마지막으로 과장을 경계해야 한다. 진공관 속을 시속 1000 km로 달린다는 ‘하이퍼루프’처럼 크게 주목받았지만 비용과 안전 문제로 상용화되지 못한 구상도 있다.

판단“기술이 발전하면 교통 문제는 저절로 풀린다”는 생각은 역사와 맞지 않다. 자동차는 이동의 자유를 주었지만 교통 체증과 사고, 오염을 함께 가져왔다. 미래 예측은 한 가지 기술의 장점만 보는 대신, 에너지, 안전, 공간, 공정성을 함께 놓고 여러 시나리오로 비교해야 한다.

확인조건이 달라지면

어느 도시가 모든 버스를 전기 버스로 바꾸었는데, 그 도시의 전기는 대부분 석탄 발전소에서 온다. 이 정책의 효과를 판단하는 데 가장 중요한 정보는?

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