단단한 노면 vs. 물렁한 노면에서의 자전거 주행 효율 비교 분석

개요: 자전거는 일반적으로 단단한 바닥(예: 포장된 아스팔트 도로)에서 물렁한 바닥(예: 모래, 흙)보다 훨씬 잘 나갑니다. 이는 여러 물리적·공학적 요인들이 복합적으로 작용한 결과로, 본 보고서에서는 이를 다섯 가지 관점에서 심층 분석합니다. 우선 물리학적 원리 측면에서 에너지 전달과 구름 저항 등의 차이를 살펴보고, 자전거 공학 측면에서 프레임과 타이어 설계 및 변속 시스템의 영향을 검토합니다. 이어서 타이어와 노면 간 상호작용에서 접촉면 변형과 마찰력, 반발력의 차이를 분석하며, 지형별 사례 비교를 통해 도심 아스팔트, 시골 흙길, 고무 트랙, 산악 비포장길 등에서의 주행 특성을 비교합니다. 마지막으로 자전거 종류별 특성 차이를 로드바이크와 MTB를 중심으로 살펴봄으로써, 어떤 환경에서 어떤 자전거가 효율적인지 구체적 수치와 사례를 통해 설명하겠습니다.

1. 물리학적 원리: 에너지 전달과 구름 저항, 반작용력 차이

에너지 전달 효율과 반작용력: 단단한 노면에서는 자전거 바퀴가 지면을 강하게 밀었을 때 지면이 단단히 받아쳐 주므로(뉴턴의 제3법칙에 따른 충분한 반작용력)**, 페달로 전달된 에너지 대부분이 자전거의 전진 운동에 사용됩니다. 반면, 모래나 진흙처럼 물렁한 노면에서는 바퀴가 눌러도 지면이 쉽게 움푹 패이면서 에너지를 흡수해버리고 충분한 반작용력을 주지 못합니다. 마치 단단한 바닥에서 뛰는 공은 높이 튀어오르지만, 진흙탕에 던지면 튀어오르지 않고 에너지가 소실되는 이치와 비슷합니다. 자전거의 경우도 딱딱한 도로에서는 페달로 준 힘이 그대로 속도로 바뀌지만, 푹신한 노면에서는 힘의 상당 부분이 지면 변형을 일으키는 데 쓰여 속도 손실이 발생합니다.

구름 저항(회전 마찰)의 물리적 원인: 구름 저항이란 바퀴가 구르며 받는 저항으로, 노면과 바퀴의 변형과 마찰로 인해 발생하는 에너지 손실입니다 . 노면이 단단할수록 이상적으로는 구름 저항이 작아지지만, 현실에서는 아래와 같은 요인들로 에너지가 소모됩니다 :
• 접촉면 마찰: 타이어와 지면이 맞닿은 접촉 지점에서 발생하는 마찰(끈적임)로 인한 에너지 손실
• 탄성체 변형 손실: 타이어 고무나 노면 재질이 탄성적으로 변형되면서 생기는 내부 마찰과 히스테리시스 손실 (완전히 탄성이 아니어서 복원 시 에너지 일부 손실)
• 노면의 거칠기: 도로의 요철이나 거친 입자로 인해 바퀴가 진동하거나 충격을 받을 때 발생하는 추가 저항 (노면이 거칠면 충격 흡수에 에너지 소모)

단단한 vs 물렁한 노면의 구름 저항 차이: 단단한 노면에서는 타이어만 약간 변형되고 노면은 거의 변형되지 않으므로 구름 저항이 매우 낮습니다. 예를 들어 포장 아스팔트 도로에서의 구름저항 계수(Crr)는 약 0.002 정도로 측정되며, 이는 매우 낮은 수치입니다 . 반면 모래와 같은 연한 노면에서는 타이어뿐 아니라 노면 자체가 깊게 패이며 변형되기 때문에 구름저항 계수가 0.03 수준까지 치솟습니다 . 표 1은 한 실험에서 측정된 다양한 노면의 구름저항 계수를 보여줍니다 . 모래 위에서의 구름 저항 계수는 아스팔트 대비 약 15배에 달해, 같은 거리를 구를 때 훨씬 더 큰 에너지가 소모됨을 알 수 있습니다 . 실제로 포장 도로 위를 달리는 것은 흰 모래 해변을 달리는 것보다 훨씬 수월하다고 할 정도로, 모래길에서는 바퀴를 굴리는 에너지 상당 부분이 노면을 변형시키는 데 쓰여 버립니다 .

표 1: 노면 종류에 따른 구름저항 계수 예시 

노면 종류 구름저항 계수 (Crr) 상대적 크기 및 특징
매끈한 아스팔트 (포장도로) 약 0.002 기준 (가장 낮은 저항)
자갈길 (거친 도로) 약 0.006 아스팔트의 약 3배 저항
잔디밭 (흙/잔디) 약 0.007 아스팔트의 3~4배 저항
모래 (해변 모래길 등) 약 0.030 아스팔트의 약 15배 저항 (매우 높음)

주: 26인치 MTB 바퀴,  MTB용 타이어로 측정된 평균 값 .

이처럼 극단적인 차이는 에너지 전달 효율에 큰 영향을 줍니다. 예를 들어 총중량 80 kg(자전거+라이더)이 시속 20 km로 주행할 때, 아스팔트에서의 구름 저항으로 인한 에너지 소모는 약 9 W 수준에 불과하지만, 느슨한 모래 위에서는 약 130 W에 달하는 힘이 구름 저항으로 소모됩니다. 즉, 모래에서는 단순 구름 저항만으로도 아스팔트 대비 1415배 이상의 에너지를 잡아먹어버리므로 같은 힘으로 페달을 밟아도 속도가 크게 떨어질 수밖에 없습니다. 한 연구에서도 노면 종류가 구름 저항에 미치는 영향이 가장 크며, 모래에서의 구름 저항 계수가 잔디/자갈/아스팔트에 비해 4.515배까지 높다고 보고했습니다 .

“항상 오르막을 오르는 효과”: 물렁한 노면에서는 바퀴가 노면을 눌러 파고들기 때문에, 자전거는 계속해서 작은 언덕을 오르는 듯한 효과를 받습니다. 바퀴 앞쪽에 노면 재료(흙이나 모래)가 쌓여서 일종의 활주파 (bow wave)처럼 저항을 만들며, 바퀴는 매순간 자신의 만들어낸 작은 턱을 넘고 올라가야 하므로 추가적인 에너지가 필요합니다 . 특히 폭이 좁고 높은 압력의 타이어일수록 노면에 깊이 파고들어 앞에 “마루”를 밀어내는 양상이 커서 이런 저항이 증가합니다 . 타이어 압력을 높게 유지하면 이러한 효과가 다소 줄어들지만, 노면 자체가 연약하면 근본적인 저항 증가는 피하기 어렵습니다 .

요약하면, 단단한 노면에서는 자전거에 가해진 힘이 고스란히 전진 운동으로 변환되지만, 물렁한 노면에서는 에너지의 상당 부분이 노면과 타이어의 변형 및 마찰로 열이나 변형 에너지로 사라지기 때문에 주행 효율이 떨어집니다. 또한 연약 지면은 충분한 반작용력을 제공하지 못해 추진력이 손실됩니다. 구름 저항의 관점에서 볼 때, 단단한 노면은 구름 저항 계수가 낮아 작은 힘으로도 잘 구르지만, 물렁한 노면은 구름 저항 계수가 높아 훨씬 큰 힘이 필요한 것입니다  .

2. 자전거 공학 관점: 프레임, 타이어, 기어 설계의 영향

프레임 강성과 설계: 자전거의 프레임은 노면 특성에 맞게 강성(stiffness)이나 충격 흡수 특성이 설계됩니다. 단단한 도로에서 속도를 내는 로드바이크의 프레임은 대개 매우 높은 강성을 갖도록 제작됩니다. 프레임이 단단해야 페달 밟는 힘이 프레임의 휨 없이 곧바로 구동계에 전달되어 추진력으로 변환되고, 에너지 손실이 적기 때문입니다. 예를 들어 트랙 경기용 사이클이나 로드 레이싱 자전거는 강성이 높고 서스펜션이 없으며 라이더의 힘을 즉각적으로 뒷바퀴에 전달하도록 설계됩니다. 반대로 산악자전거(MTB)나 임도용 자전거의 프레임은 노면의 충격을 완화할 수 있도록 일부 탄성을 주거나 서스펜션(fork, 리어샥)을 장착하는 경우가 많습니다. 이는 거친 노면에서 프레임이 약간 휘거나 서스펜션이 움직이며 충격을 흡수함으로써 타이어가 지면과 지속적으로 접촉하도록 돕고, 라이더의 안정성과 피로도 개선을 위해서입니다. 다만 서스펜션 장치는 충격 완화에 유리하지만 페달링 에너지의 일부를 자신의 움직임(보빙 현상)으로 소비할 수 있기 때문에, 포장도로 같은 평탄한 노면에서는 서스펜션을 잠그거나(Rigid 모드) 강성을 높여 효율을 유지하도록 합니다. 실제 연구 결과를 보면, 평탄한 노면(포장路)에서는 하드테일과 풀서스펜션 MTB 간 구름 저항 차이가 거의 없을 정도로 서스펜션의 이점이 나타나지 않지만 , 울퉁불퉁한 노면이나 장애물이 많은 코스에서는 서스펜션과 프레임 설계의 차이가 주행 안정성과 속도 유지에 영향을 줍니다 (충격 통과 능력 등). 예를 들어 거친 돌길에서 풀 서스펜션과 큰 바퀴를 가진 자전거는 작은 바퀴 하드테일보다 장애물 통과 후 속도 손실이 적어 좀 더 효율적으로 달릴 수 있다는 실험 결과도 있습니다  .

타이어 구조와 압력: 노면 경도에 따른 타이어 설계와 공기압 차이는 주행 성능에 큰 영향을 줍니다. 단단한 노면용 자전거(로드바이크)는 대체로 가늘고 매끄러운 슬릭(slick) 타이어를 사용하며 높은 공기압(100psi 내외, ≈78bar)을 채워 넣습니다. 이렇게 하면 타이어가 딱딱해져 노면에 접하는 부위의 변형이 최소화되고 접지면적이 작아져 구름 저항이 낮아집니다  . 반대로 물렁하거나 거친 노면용 자전거(MTB)는 폭이 넓고 큰 트레드 패턴(튼튼한 돌기)**이 있는 타이어를 사용하고 낮은 공기압(2030psi, ≈1.5~2bar 또는 그 이하)을 유지합니다. 이렇게 하면 타이어가 노면에 닿을 때 더 크게 휘어지며 넓은 면적으로 접촉하여 푹신한 노면에 둥둥 떠가는 효과(부력과 비슷)를 내고, 울퉁불퉁한 지형에서는 충격을 흡수해 접지력을 확보합니다 . 다만 이러한 저압의 폭넓은 타이어는 단단한 노면에서 쓸 때 타이어 자체의 변형과 마찰이 커지므로 구름 저항이 증가하는 단점이 있습니다 . 요컨대, 로드 타이어는 좁은 접지면과 높은 압력으로 단단한 노면에서 에너지 효율이 높고 빠르지만, 산악용 타이어는 부드러운 지형에서도 빠지지 않고 안정적으로 나아가는 대신 단단한 노면에서는 에너지 손실이 큽니다. 한 예로 전기자전거 제조사의 실험에서 로드 타이어는 좁은 폭과 높은 압력 덕분에 포장도로 주행 시 구름 저항이 낮아 속도와 효율이 높지만, 팻바이크(Fat bike)용 타이어는 낮은 압력과 큰 접지면 때문에 변형으로 인한 에너지 손실이 커서 포장도로에서는 마치 계속 맞바람을 받는 듯 힘이 더 든다고 설명합니다  . 아래 표는 이러한 설계를 요약한 것입니다.

예시: 로드 타이어 vs 팻 타이어 설계 비교  

타이어 종류 표준 공기압 (PSI) 구름 저항 경향 접지면적 특성 적합한 노면
로드 타이어 (폭 25mm 내외) 80~120 PSI (높음) 낮음 (효율 높음)  작고 좁은 접지면 (변형 적음) 매끈한 포장도로 
산악/팻 타이어 (폭 3~4인치↑) 5~20 PSI (매우 낮음) 높음 (저항 큼)  크고 넓은 접지면 (변형 큼) 모래, 눈, 자갈 등 연질 노면

주: 팻 타이어는 극단적인 예시로, 일반 MTB 타이어는 20~40 PSI 정도입니다.

변속 기어 시스템: 노면의 단단함은 필요한 페달링 파워와 속도에도 영향을 주기 때문에, 자전거의 변속 체계도 이에 맞춰 발달해왔습니다. 로드바이크는 주로 평지 고속 주행을 염두에 두고 설계되어, 앞 체인링과 뒷스프로킷의 조합이 비교적 고단(높은 기어비)으로 구성됩니다. 예컨대 로드바이크는 한 바퀴 페달로 많은 거리를 나아갈 수 있는 50/34T 앞체인링과 11-28T같은 카세트를 사용하여 시속 40km 이상의 고속에서도 페달링을 유지할 수 있습니다. 이는 포장도로에서 마찰저항과 구름저항이 낮아 상대적으로 적은 힘으로도 높은 속도를 낼 수 있기 때문입니다. 반면 MTB는 가파른 언덕이나 진흙, 모래 같은 고저항 환경에서 페달링이 가능하도록 저단(낮은 기어비) 위주로 구성됩니다. 예를 들어 30T 정도의 작은 체인링과 50T에 달하는 큰 코그를 갖춘 카세트를 달아, 한 번 페달로 나아가는 거리는 짧지만 큰 힘을 발휘할 수 있게 합니다. 이는 부드러운 지면에서 구름 저항이 커 속도가 잘 나지 않으므로, 낮은 기어로 천천히라도 꾸준히 페달을 밟아 나갈 수 있도록 한 것입니다. 결과적으로 로드 자전거는 단단한 도로에서 고속 주행에 유리한 기어비를, 산악자전거는 부드러운 지형에서의 견인을 위한 기어비를 탑재하고 있다고 볼 수 있습니다. 또한 MTB의 기어와 드라이브트레인은 진흙이나 모래가 끼어도 잘 동작하도록 여유 간격을 두고 만들며, 체인도 굵고 강하게 설계됩니다. 이는 물렁한 노면 주행 시 발생할 수 있는 이물질, 토크 부하 증가 등에 대비한 것입니다.

요약: 자전거 공학적으로 볼 때, 단단한 노면에서는 프레임의 강성과 타이어 압을 최대화하여 라이더의 힘을 손실 없이 추진력으로 변환하는 방향으로 설계되고, 물렁한 노면에서는 약간의 탄성과 낮은 타이어 압을 활용해 노면과의 접지력을 확보하고 충격을 흡수하는 방향으로 설계됩니다. 변속 시스템도 노면 저항에 맞춰 속도를 낼 수 있게 최적화됩니다. 이러한 설계 차이는 결국 노면의 단단함에 따른 주행 효율의 차이를 증폭시키거나 완화시키는 역할을 합니다.

3. 타이어와 노면의 상호작용: 접촉면 변형, 마찰력, 탄성 반발력

접촉면적과 변형: 자전거 타이어와 노면이 맞닿는 접촉 패치(contact patch)의 크기와 형태는 노면의 단단함에 따라 크게 달라집니다. 단단한 노면에서는 타이어가 지면에 살짝 눌려 평평해지는 정도로만 변형되고, 노면은 거의 변형되지 않습니다. 예를 들어 높은 압력의 로드 타이어는 노면에 딱딱하게 굴러가며 매우 작은 면적으로 접촉하지요. 이 경우 타이어 내부의 공기와 고무가 약간 변형되지만 다시 탄성 복원되며, 노면은 변형되지 않으므로 에너지 손실이 적습니다. 반대로 물렁한 노면에서는 상황이 복잡해집니다. 타이어가 노면에 닿으면 공기압이 비교적 낮은 타이어라 해도 심하게 눌려 변형되고, 동시에 노면 재료(흙, 모래)가 움푹 패이면서 타이어를 감싸는 형태가 됩니다. 즉 접촉면적이 크게 증가하며 타이어와 노면 모두에 변형이 발생합니다 . 접촉면적이 크다는 것은 그만큼 마찰을 통한 구동력 전달에는 유리하지만, 동시에 더 많은 재료가 변형되면서 내부 마찰(히스테리시스)로 열이 발생하는 영역이 커진다는 뜻이기도 합니다. 특히 노면이 푹신할수록 타이어 앞쪽으로 노면이 솟구치는 “마루”가 형성되어 바퀴 진행을 방해하므로, 폭이 좁은 타이어일수록 깊게 파고들어 더 큰 변형 저항을 만납니다 . 이런 이유로 모래나 진흙에서는 오히려 폭이 넓은 타이어를 낮은 압력으로 사용해 접촉면을 넓혀주는 것이 바퀴가 덜 파고들고 저항을 줄이는 방법입니다  (접지압을 낮춰 “둥둥 떠가는” 효과).

마찰력과 접지력: 노면이 단단하든 물렁하든 타이어가 노면을 밀 때 발생하는 마찰력(접지력)은 자전거가 앞으로 나아가는 데 필수적입니다. 단단한 노면에서는 고무와 포장면 사이의 정지 마찰계수가 높아, 페달을 세게 밟아도 일반적으로 바퀴가 헛돌지 않고 추진력이 잘 전달됩니다. 마찰력이 충분하므로 로드 타이어처럼 트레드(패턴)가 거의 없는 민짜 타이어도 문제없이 접지력을 얻습니다. 오히려 불필요한 트레드는 고속에서 노면과의 마찰 접촉을 늘려 마찰저항(구름저항)을 높일 뿐이므로, 로드용 타이어는 매끈하게 만들어 저항을 최소화합니다 . 한편 물렁한 노면에서는 상황이 다릅니다. 마찰력은 “두 물체가 서로 미끄러지지 않도록 잡아주는 힘”인데, 모랫밭이나 진흙탕처럼 지면 자체가 쉽게 흩어지거나 변형되는 환경에서는 타이어가 노면을 미는 순간 노면 재료가 버티지 못하고 밀려나가 버립니다. 즉, 노면과 타이어 사이에 충분한 마찰(정지 마찰)이 형성되기 어려워 바퀴가 헛돌기 쉽습니다. 이를 해결하기 위해 산악자전거 타이어의 굵은 돌기(knob)들은 흙이나 모래를 파고들어 기계적으로 걸리는 힘(키압력)을 만들어냅니다. 노면이 부드러울수록 오히려 이런 돌기가 “땅을 물듯이” 파고들어야 접지력을 확보할 수 있고 , 이로써 비로소 바퀴가 헛돌지 않고 앞으로 나아갈 수 있습니다. 그러나 이 과정에서 발생하는 변형 저항과 재료 간 마찰저항은 이동 방향과 반대되는 힘으로 작용하여 주행을 느리게 만듭니다. 쉽게 말하면, 노면이 딱딱할 때는 마찰력은 충분하고 구름저항은 낮아 빠르게 달릴 수 있지만, 노면이 부드러울 때는 마찰력을 확보하려면 노면을 파내는 추가 작업을 해야 하고, 그로 인해 구름저항도 급증한다는 것입니다. 또한 모래/자갈에서는 작은 입자들이 끊임없이 굴러 반발력이 줄고, 진흙에서는 접착처럼 달라붙어 바퀴를 잡아끄는 등 다양한 형태로 마찰이 저항으로 나타납니다.

탄성 반발력과 에너지 복원: 타이어와 노면이 얼마나 탄성적으로 힘을 주고받느냐도 주행 효율에 영향을 미칩니다. 단단한 노면은 충격을 받으면 즉각 같은 힘으로 반작용하는 탄성체에 가깝습니다. 예를 들어 콘크리트 바닥에 공을 던지면 공이 튀어오르는데, 이는 에너지의 상당 부분을 바닥이 반발력으로 돌려주기 때문입니다. 자전거 바퀴도 마찬가지로 단단한 노면에서 구르면 타이어가 눌렸다가 복원되면서 약간의 반발력(탄성 에너지 복원)을 얻고, 노면도 거의 에너지를 흡수하지 않아 효율이 높습니다. 반대로 진흙탕이나 모래밭에 공을 던지면 전혀 튀지 않고 멈추는데, 이는 노면이 에너지를 흡수하고 돌려주지 않기 때문입니다. 자전거 타이어도 부드러운 노면에서 구르면, 노면이 바퀴에 반발력을 주기보다는 바퀴가 지나간 자리만 패이고 맙니다. 즉 탄성 충돌”이 아니라 “비탄성 충돌이 일어나며 운동 에너지가 열 등으로 소산됩니다.

타이어 자체의 탄성도 중요한데, 예를 들어 같은 단단한 노면이라도 타이어가 너무 딱딱하면 충격을 모두 라이더와 자전거가 받으며 튕겨나 에너지 손실로 이어지고, 타이어가 적당히 탄성이 있으면 노면의 작은 요철을 흡수하며 에너지를 보존합니다. 너무 지나치게 무른 타이어는 또 문제인데, 한 사례로 폴리우레탄 고체 타이어(폼 타이어)를 끼운 바퀴는 바닥에 떨어뜨렸을 때 튀어오르는 높이가 일반 공기타이어의 절반에도 못 미칠 만큼 반발력이 없습니다. 그만큼 주행 시 에너지를 몽땅 흡수해버려 구름 저항이 매우 커지며, 실제로 주행이 무겁고 효율이 떨어진다는 실험 결과가 있습니다 . 이는 노면이 너무 물러서 충격을 흡수해버리는 경우와 비슷한 맥락입니다. 한편 매우 거친 단단한 노면(예: 자갈길이나 돌솟은 코블스톤)에서는 노면이 단단하긴 하나 돌출로 인해 바퀴가 통통 튀는 현상이 발생할 수 있습니다. 이때 타이어에 공기를 너무 많이 넣어 단단하게 하면 바퀴가 지면에 붙지 못하고 껑충껑충 뛰면서 에너지를 소모하게 됩니다 . 오히려 약간 낮은 압력의 폭신한 타이어가 지면을 따라 변형되며 계속 붙어 달리기 때문에 충격으로 인한 에너지 손실을 줄이고 효율적으로 굴러갑니다 . 이러한 현상을 도로 사이클 경기에서 잘 알 수 있는데, 예를 들어 파리-루베 같은 거친 돌길 경기에서 선수들이 너무 높은 압력의 가는 타이어를 쓰면 속도가 떨어지고 제어가 어려워집니다. 대신 조금 넓고 낮은 압력의 타이어를 사용하면 돌과의 충격을 흡수하면서 오히려 평균 속도가 올라가는 사례가 있습니다. 최근 연구와 실험들에 따르면 실제 도로 주행에서는 완전히 딱딱한 타이어보다 약간 유연한 타이어가 도로의 미세한 거칠기를 흡수하여 속도 순응성(speed compliance)”을 높임으로써 종합적인 구름 저항을 낮출 수 있다고 합니다 . 즉 도로가 완전히 매끄럽지 않은 현실에서, 좀 더 큰 타이어를 약간 낮은 압력으로 쓰면 노면 충격을 극복하는 저항이 줄어들어 더 빠르게 주행할 수도 있다는 것입니다 . 이는 최근 로드바이크에서 타이어 폭이 25mm에서 28mm, 30mm로 넓어지는 추세와도 일치하며, 노면 상황에 맞는 탄성 조절이 얼마나 중요한지 보여줍니다.

정리하면, 타이어-노면 상호작용에서 단단한 노면은 작은 접지면, 낮은 변형, 충분한 마찰력, 높은 탄성 반발로 인해 효율이 높고, 물렁한 노면은 큰 접지면, 큰 변형, 확보하기 어려운 마찰력(헛돌 우려), 낮은 탄성 반발로 인해 에너지 손실이 커집니다. 따라서 바퀴가 구를 때 단단한 지면은 *ㅡ탄력 있는 토대”를 제공하는 반면, 부드러운 지면은 “에너지를 먹어치는 스펀지” 같은 역할을 한다고 비유할 수 있습니다.

4. 지형별 주행 사례 비교: 도심 아스팔트 vs 시골 흙길 vs 고무 트랙 vs 산악 비포장

다양한 실제 지형에서 단단함의 정도에 따른 자전거 주행 특성을 비교해보면 위에서 논의한 차이들이 어떻게 나타나는지 알 수 있습니다. 아래에는 대표적인 네 가지 노면 환경에서 자전거 주행감과 효율이 어떻게 달라지는지 사례를 들어 정리했습니다.
• 도심 아스팔트 도로: 도시의 포장도로는 매우 단단하고 매끄러운 노면의 대표입니다. 로드바이크와 같은 자전거를 타고 달릴 때 구름 저항이 극히 낮아 적은 힘으로도 쉽게 높은 속도를 낼 수 있습니다. 실제로 아스팔트는 낮은 구름 저항 덕분에 사이클리스트가 같은 노력으로 더 빨리, 더 오래 달릴 수 있는 노면입니다 . 예컨대 잘 포장된 도로에서 로드바이크는 시속 30 km 이상 순항하기도 쉬우며, 페달링 에너지 대부분이 추진력으로 전환됩니다. 노면이 단단하므로 브레이킹/코너링 시 마찰력(그립)도 안정적으로 발휘되어 제어가 용이합니다. 또한 아스팔트는 균일하고 예측 가능한 표면이라 갑작스런 저항 변화가 없고, 먼지나 진흙 없이 깨끗하므로 주행이 쾌적합니다  . 단점이라면 충격 흡수가 전혀 없어서 노면이 거칠 경우 진동이 고스란히 올라오지만, 노면이 좋은 도심 도로에서는 큰 문제가 되지 않습니다. 요약하면 아스팔트에서는 자전거 주행 효율과 속도가 최고로 좋으며, 이는 많은 사이클리스트들이 포장도로를 선호하는 이유이기도 합니다 .
• 시골 비포장 흙길: 시골의 흙길이나 농로는 포장되지 않은 다소 부드러운 노면입니다. 일반적으로 흙을 다져놓은 길은 포장도로만큼 단단하진 않지만, 어느 정도 단단하게 다진 경우 자전거로 주행이 가능하고 마찰력도 꽤 확보됩니다. 다만 노면 자체에 약간의 탄성이 있어 바퀴가 살짝씩 파고드는 현상이 있습니다. 이로 인해 아스팔트 대비 구름 저항이 높아 속도가 떨어지고 페달링이 무거워지는 느낌을 줍니다. 실제 실험에서 잔디나 흙길의 구름저항 계수는 약 0.006~0.007 수준으로 포장도로(0.002)보다 3배 이상 높게 측정되었는데 , 이는 동일한 힘을 내도 속도가 3분의 1가량 느려질 수 있음을 의미합니다. 흙길에서는 로드 타이어처럼 가는 바퀴는 쉽게 미끄러지거나 움푹 패이기 때문에, 약간 넓은 타이어가 유리합니다. 예를 들어 자갈 섞인 흙길에서는 그래블 바이크나 하이브리드 자전거의 35~40mm급 타이어를 사용하면 접지력이 좋아지고 안정적으로 달릴 수 있습니다. 그러나 노면이 푹신한 만큼 약간의 에너지 손실은 피할 수 없어, 같은 라이더가 같은 힘으로 페달을 밟아도 포장도로보다 평균 속도가 느려집니다. 요약하면 시골 흙길에서는 노면이 일부 에너지를 흡수하고 저항이 늘어나므로, 도로 대비 노력 대비 속도가 덜 나오지만 그래도 모래처럼 극단적으로 힘든 건 아닌 중간 수준의 저항을 느끼게 됩니다.
• 탄성 고무 트랙: 육상 경기장 등에 깔린 탄성 고무 트랙(우레탄 트랙)은 특이한 사례로, 노면이 단단하면서도 약간의 탄성(스프링)과 감쇠를 가지고 있습니다. 이러한 트랙은 달리는 선수의 관절 보호와 일정 수준의 반발력을 제공하도록 설계된 것인데, 자전거 입장에서 보면 아스팔트보다 약간 물렁한 노면이라고 볼 수 있습니다. 고무 트랙 위를 자전거로 달리면 노면이 살짝 눌렸다 복원되면서 작은 트램폴린을 밟는 듯한 느낌이 들 수 있습니다. 장점은 진동이나 충격을 약간 흡수해주므로 주행감이 부드럽게 느껴지고, 타이어 소음도 적다는 것입니다. 하지만 단점으로, 이 탄성 변형 과정에서 에너지의 일부가 열로 소모되어 엄밀히는 구름저항이 아스팔트보다 커집니다. 속도로 환산하면 큰 차이는 아니지만, 예컨대 육상 트랙과 단단한 노면 사이에는 400m 주파 시간 기준 1초 내외의 차이가 난다는 보고도 있습니다 (달리기 기준이지만 노면의 반발력 차이를 보여주는 수치입니다). 사이클리스트들은 일반적으로 보다 단단한 노면을 선호하기 때문에 고무 트랙에서 장거리 주행을 하지는 않지만, 트랙의 탄성이 *“약간의 보조 추진력”*으로 느껴진다는 의견도 있습니다. 실제로 트랙 사이클 경기는 목재 velodrome에서 열리는데, 목재 트랙은 아주 단단하면서 표면이 약간 탄력있게 만들어져 있어 속도에 유리합니다. 고무 트랙은 그보다는 부드러워서 목재 트랙이나 아스팔트만큼 빠르지는 않지만, 일반 도로 대비 소음 감소나 충격 흡수의 이점이 있어 일부 사이클 훈련장 등에 사용되기도 합니다. 종합하면, 고무 트랙은 단단한 지면과 푹신한 지면의 중간 성격으로, 주행 효율도 중간 정도라고 할 수 있습니다 (달리기는 편하지만 아주 빠르지는 않은).
• 산악 비포장 오프로드: 산악 지형의 비포장길(임도, 싱글트랙 등)은 가장 가혹한 노면 환경으로, 단단한 바위부터 푹신한 흙/모래, 젖은 진흙, 나뭇뿌리 등이 혼재합니다. 이런 환경에서는 자전거의 주행 속도가 포장도로에 비해 크게 떨어지고, 필요한 페달링 에너지는 크게 증가합니다. 예를 들어 단단한 바위 지형에서는 접지력이 좋지만 노면이 거칠어 충격과 진동 저항이 크고, 푹신한 흙이나 솔잎이 깔린 지형에서는 바퀴가 계속 파고들어 구름저항이 큽니다. 특히 모래사장이나 아주 부드러운 진흙은 사실상 자전거 주행이 거의 불가능할 정도로 저항이 큽니다. 앞서 언급했듯이 모래의 구름저항 계수 0.03은 아스팔트의 15배이며 , 이러한 노면에서는 산악자전거를 타도 시속 1015 km 내외로밖에 달릴 수 없습니다. 실제 산악 지형을 달릴 때는 순간순간 바퀴가 헛돌거나 장애물을 넘느라 추가적인 에너지 소비가 발생하는데, 한 연구에서는 무거운 라이더일수록 장애물을 만났을 때 속도 손실이 크지만, 29인치 큰 바퀴와 서스펜션을 장착한 MTB는 같은 장애물에서도 속도 유지가 더 잘 되어 효율이 높다고 보고했습니다 . 산악 환경에서 MTB 라이더들은 낮은 기어로 높은 케이던스를 유지하며 느리지만 꾸준히 전진하는 전략을 씁니다. 예를 들어 진흙 언덕을 오를 때는 마찰 확보를 위해 일부러 안장에서 일어나지 않고 체중을 뒷바퀴에 실어 슬립을 방지하며, 낮은 기어로 천천히 바퀴를 굴립니다. 그럼에도 노면 저항이 워낙 크기 때문에 속도는 매우 더디고 심박은 크게 올라갑니다. 요약하면, 산악 비포장길에서는 노면이 주행 에너지를 크게 잡아먹고 추가적인 어려움(마찰 확보, 장애물 통과)까지 있기 때문에, 단단한 도로에서라면 가뿐할 작은 언덕도 마치 큰 언덕을 오르듯 힘들게 느껴지고 속도가 현저히 감소합니다.

以上의 사례 비교를 종합하면, 노면이 단단할수록 자전거는 더 빠르고 효율적으로 달릴 수 있으며, 노면이 부드럽거나 거칠수록 속도는 떨어지고 요구되는 노력은 커집니다. 특히 포장도로 ↔ 비포장도로의 차이는 매우 커서, 같은 사이클리스트가 동일한 출력을 낼 때 포장도로에서는 30 km/h를 유지하던 것이 비포장 산악길에서는 15 km/h 이하로 떨어지는 극단적 차이를 보입니다. 이는 구름저항과 마찰 조건의 차이에 기인한 것으로, 실제 라이더들도 *“노면이 좋은 날은 다리가 날아갈 듯 가볍다가, 진흙길에 들어서면 순식간에 다리가 무거워진다”*고 체감하곤 합니다.

5. 자전거 종류별 주행 특성 차이: 로드바이크 vs. MTB

노면의 단단함과 특성에 따라 어떤 자전거를 타느냐에 따른 주행 특성도 크게 달라집니다. 대표적으로 로드바이크(경량 사이클)와 MTB(산악자전거)를 비교해보면 다음과 같은 차이가 두드러집니다.

로드바이크 (도로 자전거): 로드바이크는 포장된 단단한 노면에서 최고의 성능을 발휘하도록 설계되었습니다. 전체 중량이 가볍고, 좁은 슬릭 타이어에 높은 공기압을 넣으며, 에어로다이내믹한 자세를 취할 수 있게 되어 있어 구름저항과 공기저항을 최소화합니다. 그 결과 단단한 도로에서는 속도를 내기 매우 수월하며, 작은 힘으로도 효율적으로 전진합니다. 예를 들어 잘 포장된 도로에서 로드바이크를 탄 사이클리스트는 일정 파워를 출력할 때 MTB를 탄 경우보다 현저히 높은 속도를 낼 수 있습니다. 한 계산 사례를 보면, 70 kg 라이더가 24 km/h로 달릴 때, 도로용 레이싱 자전거(체중+자전거=78kg, 고압 슬릭 타이어)는 구름저항으로 약 16 W만 소모하지만, 무거운 시티바이크(90kg, 두꺼운 타이어)는 같은 속도에서 43 W를 소모했습니다 . 이처럼 로드바이크는 노면 저항이 낮은 환경에서 에너지 효율이 뛰어나 빠르게 달릴 수 있으며, 라이더도 고단 기어를 활용해 고속주행이 가능합니다. 그러나 로드바이크는 노면이 나빠지면 급격히 효율이 떨어집니다. 얇은 타이어와 단단한 프레임은 약간의 모래나 자갈에서도 쉽게 불안정해지고 충격이 고스란히 전달되며, 접지력 확보도 어려워집니다. 실제로 폭신한 모래길에 로드 자전거로 진입하면 불과 몇 미터 내에 타이어가 파고들어 주저앉아버릴 정도로 주행이 힘듭니다 . 모래의 변형이 너무 커서 페달을 계속 밟아도 추진력이 모래를 비집고 나가는 데 소모되고, 결국 앞으로 나아가지 못해 자전거가 “주저앉는” 상황이 발생하는 것입니다 . 즉 로드바이크는 포장도로에서는 “노면을 가르는 칼”이지만, 모래나 진흙 같은 환경에서는 “바퀴 달린 앵커”가 되어버립니다.

MTB (산악자전거): MTB는 비포장 등 험한 지형에서의 주행에 최적화되어 있습니다. 튼튼하고 비교적 무거운 프레임, 앞뒤 서스펜션, 넓은 폭의 낮은 압력 타이어, 거친 트레드 패턴 등이 특징으로, 이는 모두 부드럽고 불규칙한 노면에서의 접지력과 안정성을 높여줍니다. 덕분에 자갈길, 흙길, 진흙, 모래, 바위 지형 등 로드바이크로는 접근조차 힘든 곳을 MTB는 비교적 수월하게 주행할 수 있습니다. 예를 들어 산악자전거의 넓은 타이어는 모래 위에서 접지면을 크게 넓혀 바퀴가 모래에 깊이 박히지 않고 뜨듯이 굴러갈 수 있게 해주며, 실제로 MTB를 타고 포장도로에서 모래길로 진입하면 속도 저하나 헛돌음이 거의 없이 계속 주행이 가능합니다 . 이는 낮은 타이어 공기압으로 접지 압력을 줄인 덕분에 모래가 많이 꺼지지 않기 때문입니다 . 반면, 이런 세팅으로 MTB를 포장도로에 올리면 어떻게 될까요? 낮은 압력의 너비 큰 타이어는 단단한 노면에서 불필요한 변형을 많이 일으키고 노면과의 마찰 접촉면이 늘어나 구름 저항이 매우 커집니다. 실제로 *“포장도로 위를 2 bar 공기압의 MTB로 달리면 마치 누군가 저지를 뒤에서 붙잡고 있는 것처럼 계속 끌어당기는 느낌”*이라는 표현이 있을 정도로, 노면이 단단할 때 MTB는 로드바이크 대비 훨씬 무겁게 나갑니다 . 속도로 치면 같은 힘을 내도 로드바이크보다 수 km/h 이상 느려지고, 특히 노면이 좋은 내리막 등에서는 회전저항 차이로 인한 속도 손실이 확연합니다. 요약하면, MTB는 험로 주행 능력과 안정성을 얻는 대가로 단단한 노면에서의 속도/효율을 포기한 디자인이라 할 수 있습니다.

그밖의 자전거 종류: 최근에는 로드와 MTB의 중간 성격인 그래블 바이크가 등장하여, 중간 정도 노면 (자갈길 등)에서 효율과 접지의 균형을 잡고 있습니다. 또 펫바이크(Fat bike)처럼 아주 넓은 타이어를 장착한 자전거는 눈길이나 사막 모래길같이 극도로 부드러운 노면에서 사용되어, 일반 MTB로도 통과 어려운 곳을 느리지만 꾸준히 갈 수 있게 합니다. 물론 이런 특수한 자전거는 단단한 노면에서는 효율이 극악으로 떨어져 잘 쓰지 않습니다. 반대로 트랙 경기용 픽스드기어 사이클이나 타임트라이얼 바이크 등은 노면이 아예 매우 매끄러운 트랙/도로로 한정될 때 최대 효율을 내도록 설계되어, 아주 높은 강성과 좁은 타이어, 공기역학적 프레임을 특징으로 합니다. 이런 자전거는 노면 조건이 100% 이상적일 때는 가장 빠르지만, 조금만 거칠어져도 통제가 어려워지는 극단의 예입니다.

종합 비교: 로드바이크와 MTB를 비교하면, 좋은 노면에서 빠르기 vs. 나쁜 노면에서도 달리기”의 차이라고 할 수 있습니다. 로드바이크는 노면 조건이 좋을 때 최고의 속도와 효율을 내지만, 노면 조건이 나쁘면 한계에 부딪힙니다. MTB는 노면 조건이 나빠도 주행은 가능하나 속도와 효율 면에서는 손해를 감수합니다. 실제로 한 비교 실험에서 그래블 자전거와 로드바이크를 같은 조건에서 달리게 했을 때 로드바이크가 약 810% 더 빠르다는 결과가 있었고, MTB는 그보다 더 느렸다고 합니다. 또한 동일한 코스를 로드바이크 vs MTB로 달릴 때 MTB가 로드바이크 대비 2030% 더 힘들다(심박, 파워 기준)고 느낀다는 라이더들도 있습니다. 이러한 차이는 거의 전적으로 타이어 접지/구름 특성과 자전거 설계 차이에서 기인합니다. 결국 노면과 자전거의 상호 최적화가 중요한데, 최상의 시나리오는 “단단한 도로 + 로드바이크” 또는 “험한 지형 + MTB” 조합입니다. 반대로 단단한 도로 + MTB에서는 속도 손해를 감수해야 하고, 험지 + 로드바이크는 아예 주행이 불가능하거나 위험해집니다.

결론

자전거가 단단한 바닥에서 더 잘 나가는 이유는 물리적인 구름저항과 에너지 효율의 차이에서 비롯되며, 이는 다시 자전거의 공학적 설계와 타이어-노면의 상호작용으로 증폭됩니다. 단단한 노면은 낮은 구름저항, 충분한 반작용력, 높은 마찰 접지력을 제공하여 페달로 투입된 에너지를 거의 그대로 추진력으로 바꾸어줍니다. 반면 물렁한 노면은 바퀴가 눌릴 때 노면과 타이어가 크게 변형되면서 에너지를 흡수하고, 추진력을 갉아먹는 높은 구름저항과 불완전한 접지력을 나타냅니다. 자전거 기술의 측면에서도 로드바이크는 이러한 단단한 노면의 이점을 극대화하도록 가볍고 단단하며 효율적인 설계를 취하고, MTB는 험로에서 탈 수 있도록 견고하고 유연한 설계를 채택하지만 단단한 노면에서는 효율이 떨어집니다.

실험 데이터와 사례를 통해 수치로 확인한 바와 같이, 아스팔트에서의 구름저항 계수 (~0.002)와 모래에서의 구름저항 계수 (~0.03)의 차이는 15배에 이르며 , 동일한 힘으로 페달을 밟을 때 얻어지는 속도에 극적인 차이를 만듭니다. 로드바이크 vs MTB의 설계 차이도 이러한 노면 효과를 상쇄하거나 확대하여, 각 자전거는 자신의 주 무대에서 최고의 성능을 내고 그렇지 않은 곳에서는 한계를 드러냅니다. 종합하면, 자전거 주행 성능은 노면의 물리적 특성과 자전거의 공학적 특성이 만나는 지점에서 결정되며, 단단한 노면에서 자전거가 “더 잘 나가는” 것은 과학적으로도, 경험적으로도 충분히 입증되는 사실입니다. 앞으로 자전거 타이어와 서스펜션 기술의 발전으로 다양한 노면에서도 효율을 높이는 연구가 진행되고 있지만, 기본 원리인 **“단단한 길, 낮은 저항 / 푹신한 길, 높은 저항”**은 변함이 없을 것입니다. 사이클리스트라면 이 점을 이해하고 노면과 자전거 종류에 맞는 주행 전략(타이어 공기압, 기어 선택 등)을 취함으로써 에너지를 더욱 효과적으로 활용할 수 있을 것입니다.

참고 자료: 자전거 구름저항에 대한 산업 보고서  , MTB와 로드 타이어 실험 데이터  , 사이클리스트를 대상으로 한 도로 vs 험로 주행 비교 연구, 자전거 공학 전문 매거진 기사  및 타이어 제조사 기술 문서 등을 종합하여 작성했습니다. 특히 Velofilie 등의 사이클링 기술 자료에서 인용된 예시들은 실제 주행 경험과 실험을 바탕으로 한 것으로, 노면 경도와 자전거 성능의 상관관계를 잘 보여줍니다  . 또한 유럽 아스팔트 포장협회의 자료에 따르면 아스팔트 도로는 낮은 구름저항과 높은 주행 쾌적성으로 사이클리스트에게 가장 선호되는 노면임이 강조되고 있습니다 . 이 모든 내용을 통해 “왜 자전거는 딱딱한 길에서 잘 나가고 물컹한 길에서 힘든가?”에 대한 통합적인 이해를 제시하였습니다.