들어가며
흔히 우리는 차량의 성능을 판단하고자 할 때 여러가지를 고려하지만 ‘토크(Torque)’와 ‘마력(Horsepower)’을 확인한다. 여기에 해당 차량의 토크와 마력을 비슷한 라인업의 다른 경쟁 차량과 비교하기도 한다.
하지만 누군가가 '토크와 마력의 차이는 무엇인가요?'라고 물어봤을 때, 그 개념을 어렴풋이 알지만 정확하게 답변할 수 있는 사람은 그리 많지는 않을 것 같다. 필자도 이 포스팅을 정리하기 전까지 토크와 마력에 대해 어렴풋한 개념만을 가지고 있었다.
도대체 토크와 마력이 뭐길래 대부분의 사람들이 고성능 차량의 토크와 마력에 열광하는 걸까?
이번 포스팅을 통해 토크(Torque)와 마력(Horsepower)의 차이점에 대해 확실하게 이해해보자. (이 포스팅만 잘 이해한다면 토크와 마력의 차이를 100% 이해할 수 있다고 보장할 수 있다…!)
렛쮸고-.
토크(Torque)에 대한 고찰
토크와 마력을 이해하기에 앞서, 먼저 토크(Torque)에 대해 이해해보도록 하자.
토크(Torque)란?
토크(Torque)란 무엇일까? 토크를 정말 가장 간단히 설명하자면 '회전하는 힘'이라고 할 수 있다.
사실 회전하는 힘은 직선방향의 힘과 동일한 개념이다. 결국 특정 물체에 가하는 '힘'일 뿐이기 때문이다. 만약 책상 위에 볼트를 놓고 앞 방향으로 밀면, 이는 선형적인 힘(Linear Force)을 가한 것이다. 만약 볼트를 잡고 책상 위에 뚫린 구멍에 돌리면, 이는 회전하는 힘(Rotational Force)을 가한 것이다.
방향이 어찌됐든 둘다 물체에 일정한 힘을 가하는 것이다. 차이점은 그저 힘의 방향에만 있다.
토크의 단위, Nm(뉴튼미터)
토크라는 녀석을 표현할 때 우리는 뉴튼미터(Nm)로 표기한다. 토크의 단위가 바로 뉴튼미터(Nm)인 셈이다.
뉴튼미터(Nm)란 토크를 '측정하는' 단위이다. 뉴튼미터는 특정 시점에 얼마나 많은 양의 토크가 생성되고 있는지를 측정한다.
1뉴튼미터(Nm)을 간단하게 설명하면 1미터 짜리 막대의 끝에 1뉴튼의 힘을 가한 것이다.
아까 볼트를 돌려 구멍에 넣을 때 우리는 볼트에 회전하는 힘, 즉 토크를 가한다고 했다. 이때 1미터(m)짜리 랜치를 이용하여 1뉴튼(N)의 힘으로 볼트를 돌린다면 이때 발생하는 토크는 1Nm이다.
차량 제원을 보면 토크를 표현할 때 Nm가 아닌 kgf*m로 표기되는 경우도 있다. 1미터(m)짜리 랜치를 이용하여 1키로그램중(kgf)의 힘으로 볼트를 돌리는 것을 의미한다.
Nm, kgf*m와 같이 '힘의 단위 * 길이의 단위' (또는 '길이의 단위 * 힘의 단위')로 토크를 얼마든지 표현할 수 있다. 예를 들어 미국에서는 1풋파운드(Foot-pound)로 토크를 표시하기도 한다. 이는 1풋(foot) 짜리 랜치를 이용해 1파운드(pound)의 힘을 가한 것이다.
뉴튼미터(Nm)든 풋파운드(Foot-pound)든, 아무튼 랜치로 볼트를 돌릴 때에는 랜치의 길이와 내 팔에 저장된 힘이 랜치 끝에 토크를 생성시킨다.
이와 동일하게 내연기관 차량의 엔진과 전기자동차의 모터 또한 랜치를 돌리는 것과 같이, 엔진과 모터에 연결된 크랭크 축을 회전시켜 토크를 발생시킨다.
참고 | 엔진 vs 전기모터
내연기관은 화석연료 (가솔린, 디젤)에 있는 에너지를 사용하지만, 전기모터는 배터리에 저장된 전기에너지를 사용한다. 에너지의 소스는 다르지만 결과적으로 모터와 내연기관 모두 그 끝에서 토크가 발생한다는 점은 동일하다.
몸소 느낄 수 있는 토크
이해를 돕기 위해 크기가 다른 두 개의 전기모터를 가져와보자. 크기가 작은 모터는 0.03Nm의 토크를 발생시키고, 상대적으로 크기가 큰 모터는 0.14Nm를 발생시킨다. (레고 모터답게 아주 큰 토크는 아니다.)
놀랍게도 우리는 토크(Torque)라는 녀석을 몸소 느낄 수가 있다. 작은 모터의 토크와 큰 모터의 토크의 차이를 말이다.
만약 0.03Nm 토크를 생성시키는 작은 모터의 끝을 두 손가락으로 잡는 것과, 0.14Nm의 토크를 생성하는 큰 모터의 끝을 두 손가락으로 잡는 것을 생각해보자. 아마 큰 모터의 끝을 잡고 있을 때 더 축이 손에 잘 안 잡힌다. 이는 손에 더 큰 회전력이 느껴진다는 것을 의미한다.
이렇게 두 손가락으로 확인할 수도 있지만, 토크의 차이를 두 눈으로 확인할 수 있는 방법이 있다. 각 모터 끝에 무거운 물체를 연결시켜 놓고 모터를 돌려보는 것이다. 아마 작은 모터가 돌리지 못하는 물체를 큰 모터는 회전시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
마력(Horsepower)에 대한 고찰
자 다음으로 마력(Horsepower)에 대해 이해해보자.
토크가 좋다고 마력이 높지는 않다?!
결론부터 말하면, 토크가 큰 모터라고 해서 마력이 높지 않을 수 있다.
| 작은 모터 | 큰 모터 | |
| 토크 (Torque) | 0.03Nm | 0.14Nm |
| 마력 (Horsepower) | 0.0013HP | 0.0029HP |
각 모터의 토크를 실제로 측정해보면 각각 0.03Nm, 0.14Nm라고 언급했다. 하지만 이 두 모터의 마력을 측정해보면 각각 0.0013HP와 0.0029HP다. 여기서 특이한 것이 큰 모터의 토크는 작은 모터의 토크보다 약 4.4배 크지만, 마력은 고작 2.2배만큼 밖에 크지 않다. 정녕 회전하는 힘이 강하면 마력이 커지는 것이 아니란 말인가?!
이를 이해하기 위해서는 마력이 뭔지 알아야 한다.
마력(Horsepower)이란 무엇인가
마력은 영어로 'Horsepower'이다. 우리는 영어 단어에서 마력은 'Power'를 나타내는 단위라는 것을 알 수 있다.
예전 물리 시간에 배웠던 내용을 잠깐 되짚어보자. Power는 한국말로 풀이하면 일률이다. 일률이란 일이 처리되는 속도다. 즉 주어진 시간동안 얼마나 힘이 자주 가해지는 지를 나타낸다.
일률은 다른 말로 '활동량(Activity)'이라고 할 수 있다. 이는 주어진 시간 동안 같은 동작을 몇 번 반복하는지를 의미한다.
조금 더 쉽게 접근해보자. 사람 A와 사람 B가 있고, 각각 1분의 시간동안 팔벌려높이뛰기를 하라고 했다. 평소 체력이 좋은 A는 1분동안 100회를 했지만, 평소 움직이는 것을 싫어하는 B는 80회 밖에 하지 못했다. 같은 시간동안 A가 B보다 활동량이 더 많았으므로, 일률은 A가 더 높다.
여기서 중요한 것이 일률을 계산하는 방정식에는 '시간'이라는 녀석이 들어간다는 점이다.
앞서 토크를 측정할 때는 어땠는가? 얼마나 긴 랜치를 들고 얼마나 큰 힘을 가했는지가 토크 크기에 영향을 줬을 뿐, 시간은 고려하지 않았다. 그저 토크는 회전력이 얼마나 생성되는지만 측정하고 끝났다.
하지만 마력은 다르다. 마력은 주어진 시간 동안 얼마나 많은 힘이 발생했는지를 측정한다. 토크는 회전력이라는 하나의 요소에만 영향을 받는 것에 반해, 마력은 발생하는 힘의 양과 주어진 시간 동안 이 힘이 얼마나 많은 횟수만큼 가해졌는지, 이렇게 두 가지 요소의 영향을 받는다.
마력의 단위, HP/PS/W
마력(馬力)은 앞서 말한 대로 단위 시간동안 행한 일의 양, 즉 일률을 나타내는 단위다. 이 마력이라는 단위로 나타내지는 파워(Power) 즉 일률은 당연히 일률을 나타내는 단위를 이용하여 표현할 수 있다.
보통 일률은 국제단위계(SI, Système international d’unités)에서 사용하는 와트(W)를 사용한다. 하지만 마력은 내연 기관의 일률을 나타내는 단위로 주로 쓰이는데, 이는 정의에 따라 그 기준이 다르다. 따라서 SI 단위인 와트(W)가 보다 다른 단위가 널리 쓰인다.
자동차 산업에서 일반적으로 HP(마력)를 많이 사용한다. 영국의 기준으로 1HP(Horsepower)는 745.7W이며, 독일의 기준으로는 1PS(pferdestärke)는 735.5W이다.
참고 | HP와 PS?!
영국에서 제임스 와트가 개발한 증기 기관의 성능을 측정하기 위해 도입된 HP라는 단위를 도입했다. 영국은 당시 야드파운드법을 사용했다.
길이의 단위 피트(1ft=0.3048m)와 질량의 단위 파운드(1lb=453.599082g)를 써서 550ft·lb_f/sec가 되었다. 이것을 다른 일률 단위인 와트(W)로 환산하면, 영국에서 중력 가속도(g)의 값은 9.8119m/s²이므로 1 hp=550×0.3048×0.453592×9.8119 = 약 745.7W가 된 것이다. 1마력은 이것이 설정된 1765년 당시 영국산 말 한 마리가 할 수 있는 일률이었다.
하지만 영국의 야드파운드법 대신 미터법을 사용하는 독일, 프랑스 등 유럽에서는 미터 단위를 적용해 PS(프랑스 마력)이 나왔다. 1초 동안 질량 75kg의 물체를 1m 들어올리는 일률로 1PS = 75kgf·m/s = 75 × 9.80665N·m/s = 약 735.5W가 되었다.
(출처 : 위키피디아)
마력을 측정해보자
앞서 두 개의 전기모터의 토크를 측정했듯이, 각 모터의 마력을 측정해보자.
마력을 확인하기 위해서는 단위 시간동안 모터 끝의 축의 회전수를 알아야 한다. 쉽게 확인하기 위해 모터 끝에 막대기를 하나 달아보자.
토크가 작은 모터는 비록 회전하는 힘 즉 토크는 작지만, 같은 시간동안 토크가 큰 모터에 비해 더 빨리 회전한다. 다시 말해 큰 모터에 비해 같은 시간동안 더 많은 바퀴 수를 회전한다. 실제로 측정해보면 1분 동안 작은 모터는 275회 회전했고 큰 모터는 146회 회전했다.
결론적으로 작은 모터는 회전하는 힘은 작지만 큰 모터보다 더 많이 회전했고, 이는 큰 모터에 비해 더 활동적임을 의미한다.
회전 수가 많기 때문에 비록 토크가 4.4배가 차이나더라도, 마력은 2.2배 정도가 차이가 나는 것이다.
마력은 느껴지지 않는다!
차량에서 말하는 마력은 보통 토크(Torque) x RPM이다. 이 또한 <회전하는 힘 x 분당 회전 수>이기 때문에 결국 일률을 의미한다는 것을 알 수 있다.
이 마력을 계산하는 식으로 부터 알 수 있는 것이 하나 있다. 마력은 그저 관측되고 측정될 뿐이라는 것이다.
차량이 급가속을 할 때 차 안에서 몸이 차량 시트에 바짝 붙으며 느껴지는 그 가속감은 토크를 느낀 것이다. 마력을 느낀 것이 아니다. 왜냐하면 앞서 언급했듯 우리가 몸으로 느낄 수 있는 것은 토크이기 때문이다.
마력도 느낄 수 있지 않냐는 질문을 할 수 있지만 마력은 단순히 '힘'을 의미하는 것이 아니다. 마력은 힘이 가해지는 속도(rate of force)이기 때문이다.
참고 | 속도는 느낄 수 있지 않나?! 아니다!
속도는 느낄 수 있지 않냐는 질문을 할 수 있다. 물론 시속 100km로 이동 중인 차 안에서 밖을 보면 우리는 차량의 속도를 느낄 수 있다. 또는 창문을 열어 손을 내밀면 우리는 속도를 느끼고 있다고 생각할 수 있다.
하지만 눈을 가리고 귀를 막으면 우리는 차량이 시속 100km로 가는지 시속 200km로 가는지 알 수 없다. 또한 차량 밖에 손을 내밀었을 때 느껴지는 것은 우리의 피부에 공기가 부딪히는 힘을 느끼는 것일 뿐 속도를 느끼고 있는 것은 아니다.
토크/마력 정복하기 최종단계
여기까지 왔으면 이제 토크와 마력에 대해 완벽히 이해했다고 해도 과언이 아닐거다. 그렇다면 실제 스포츠카와 트럭을 놓고 토크와 마력을 비교해보면서 토크와 마력에 대해 완벽히 이해해보자.
스포츠카 vs. 트럭
자 우리는 지금까지 작은 모터와 큰 모터를 이용해서 토크와 마력을 이해했다. 이제 이것들을 실제 차량에 대입해서 생각해보자.
쉽게 생각하면 작은 모터는 스포츠카의 엔진이고, 큰 모터는 큰 트럭의 엔진이다.
실제 스포츠카를 가져와서 보자. 위 사진의 차량은 NISSAN GT-R R35이다. 이 차량의 엔진의 크기는 3.8L이며, 스펙 상 마력은 565HP이고 순간 최대 토크는 633Nm이다.
위 사진의 차량은 Scania R 450 A6x2NA이다. 이 큰 차량의 엔진은 13L이며, 스펙 상 마력은 450HP이고 순간 최대 토크는 2950Nm이다.
| 스포츠카 | 트럭 | |
| 차량 모델 | NISSAN GT-R R35 | Scania R 450 A6x2NA |
| 엔진 크기 | 3.8L | 13L |
| 마력 | 565HP | 450HP |
| 순간 최대 토크 | 633Nm | 2950Nm |
보기 쉽게 표로 작성해보면 위와 같다. 스포츠카는 트럭에 비해 토크는 떨어지지만 마력이 높다. 왜그럴까?
스포츠카는 트럭에 비해 토크가 현저히 낮다. 이는 물리적인 엔진 크기 차이 때문이다.
토크는 물리적인 크기에 비례한다. 트럭의 엔진의 경우 큰 피스톤에 큰 챔버 등을 이용해 더 많은 연료와 더 많은 공기를 주입시켜 더 많은 힘을 낼 수 있다. 이를 통해 크랭크샤프트에 더 많은 힘을 가하고 엄청난 토크를 낼 수 있는 것이다. 이렇게 큰 힘을 내기 때문에 수많은 무거운 짐을 실고도 운반하는 것이 가능하다. 트럭 엔진과 스포츠카 엔진의 물리적인 크기가 대략 4배 이상 차이가 나기 때문에, 트럭이 스포츠카에 비해 토크가 클 수 밖에 없다.
하지만 트럭이 사용하는 엔진의 최대 RPM은 스포츠카 엔진에 비해 낮다. 보통 큰 트럭들의 엔진은 2500RPM 이상의 RPM을 내지 못한다. 하지만 스포츠카는 최대 7000RPM까지 도달할 수 있다. 앞서 말한대로 마력은 <토크 x RPM>이고, 스포츠카는 더 높은 속도로 힘을 생성한다. 때문에 스포츠카의 마력이 트럭보다 높을 수 있는 것이다.
이는 사람과 동일하다. 복싱과 같은 격투기 스포츠에 체급이 있듯, 사람의 덩치가 크면 큰 팔과 큰 다리로 큰 힘을 낼 수 있지만, 호리호리한 사람이 아무리 근육이 많더라도 덩치가 큰 사람을 이길 수는 없다. 근육 크기가 차이가 있기 때문이다.
하지만 덩치가 작은 사람은 힘이 약한 대신 더 빠릿빠릿하고 신속하게 움직일 수 있다. 그렇기 때문에 덩치가 큰 사람에 비해 더 활동량이 많아 일을 더 많이 할 수 있다.
마치며
이번 포스팅에서는 차량 스펙을 볼 때나 어떤 차량의 성능을 평가할 때 기준으로 삼은 토크와 마력에 대해 정리해보았다.
꼼꼼하게 정리하려고 하다보니 꽤 포스팅이 길어졌다. 하지만 한 문장으로 정리하면 토크는 힘이요, 마력은 활동량이다라라고 할 수 있을 것 같다.
이 포스팅을 읽으신 분들 모두 토크와 마력 차이에 대해 잘 알고 가셨길 바라며, 질문이 있으시면 언제든지 댓글 남겨주세요.
정리하고 싶은 내용이 여럿 있다. 특히 차량 포맷(FR, RR, FMR, FF 등)에 대해 정리하려고 자료는 정리해두었는데, 요새 일이 바쁘다 보니 시간이 안 난다. 시간날 때 틈틈히 정리해서 포스팅 해야겠다.
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