톱니바퀴 세 개를 둥글게 연결하면 함께 돌 수 있을까요?

두 톱니바퀴 사이의 속도비를 맞춰도, 연결망의 모든 식이 함께 맞는지는 따로 확인해야 해요. 모두 멈춘 해와 회전하는 해를 구별하고, 출발점으로 돌아오는 경로의 방향 관계가 전체 회전에 주는 조건을 살펴봐요.

목재와 금속 톱니가 맞물린 물레방앗간 장치

사진: Tangopaso · Public domain · 원본 출처

세 톱니바퀴 A,B,C의 톱니 수는 각각20,30,40입니다. A와B, B와C가 바깥쪽 톱니로 맞물린다. 여기에 C와A도 바깥쪽으로 맞물리게 연결하면 세 바퀴가 함께 계속 돌 수 있을까요? 각 두 바퀴의 속도비를 계산할 수 있다는 사실만으로 전체 회전이 가능한지 판단해요.

같은 평행축 방향에서 반시계 회전을 양수로 센 부호 있는 회전율을 ω라 해 볼까요? 현재는 맞물림의 이상적인 관계식만 검사해요. 외부 맞물림에는 반대 방향과 톱니 수의 역비를 줘요.

20ωA=−30ωB,30ωB=−40ωC,40ωC=−20ωA.20\omega_A=-30\omega_B,\quad 30\omega_B=-40\omega_C,\quad 40\omega_C=-20\omega_A.

첫 두 식에서는 ω_B=−2ω_A/3, ω_C=ω_A/2입니다. 그런데 마지막 식에 넣으면20ω_A=−20ω_A이므로 ω_A=0입니다. 이어 B,C도0입니다. 해가 없다고 말하면 틀려요. 모두 정지인 해는 있지만, 하나라도 도는 해가 없어요. 톱니 수를 다른 양의 정수로 바꾸어도 같은 방향 모순은 남아요.

전체 연결 그림의 기준도 구해 볼까요? 바퀴 수는 유한하고, 각 바퀴의 양의 톱니 수 zᵢ는 고정이에요. 서로 다른 두 바퀴를 잇는 선에는 부호 εᵢⱼ=−1 또는+1을 표시해요. −1은 반대 방향, +1은 같은 방향의 이상 관계를 뜻해요. 모든 연결에 다음 식을 적용해요.

zjωj=εijziωi,qi=ziωi.z_j\omega_j=\varepsilon_{ij}z_i\omega_i,\qquad q_i=z_i\omega_i.

이 부호 그림은 방정식을 검사하기 위한 자체 모형이에요. +1에는 내부 맞물림의 방향 관계가 착안이 되지만, 임의의 그림이 실제 조립 가능한 기어 배치라는 조건은 주지 않아요. 움직이는 축이나 마찰·유격의 효과도 이 식에 넣지 않아요.

선들을 따라가면 q는 부호를 차례로 곱한 값으로 전해진다. 출발점으로 돌아오는 닫힌 경로의 부호 곱이−1이면 qᵢ=−qᵢ라 그 점은0입니다. 선으로 이어진 점들에는0이 전파되므로 같은 연결 묶음의 모든 바퀴가 정지해요. 중간 점이나 선을 다시 지나는 경로도 허용해요.

반대로 그 묶음의 모든 닫힌 경로에서 부호 곱이+1이라고 해 볼까요? 기준점 o를 하나 정하고, o에서 i까지 경로의 부호 곱을 σᵢ라 해 볼까요? 두 경로를 골라도 한쪽을 따라간 뒤 다른 쪽을 거꾸로 돌아오면 닫힌 경로예요. 그 곱이+1이므로 두 σᵢ는 같아요. 따라서 경로 선택과 무관하게 값을 정할 수 있어요.

qi=σit,ωi=σitzi,t∈R.q_i=\sigma_i t,\qquad \omega_i=\frac{\sigma_i t}{z_i},\qquad t\in\mathbb R.

어떤 연결 i—j에서도 σⱼ=εᵢⱼσᵢ이므로 위 값은 그 선의 식을 만족해요. 모든 해는 기준점의 q_o=t에서 경로를 따라 이 형태가 강제돼요. 이것이 해 하나의 예가 아니라 전체 해예요. t≠0을 고르면 묶음의 모든 바퀴가 돌고, t=0이면 모두 정지해요.

결론적으로 한 연결 묶음에 비영 회전이 존재할 필요충분조건은 모든 닫힌 경로의−1 연결 수가 짝수라는 거예요. 바깥 맞물림만 있으면 이것은 모든 닫힌 경로의 길이가 짝수라는 조건이에요. 선이 없는 바퀴 하나도 하나의 묶음이며 자유로운 t 하나를 가져요. 그림이 끊어져 있으면 조건을 통과한 묶음마다 기준값 하나를 따로 정해요. 조건을 못 통과한 묶음은0만 허용해요.

KHK의 설명은 단일쌍의 톱니 수 비와 외부·내부 회전 방향을 구별해요. 여기서는 그 사실을 부호 있는 선형관계로 명시하고, 연결망의 모든 해를 새로 증명했어요. 실제 장치를 제작하거나 이 사진의 바퀴가 정확히 움직이는지 시험한 결과는 아니에요.

교사는 세 속도비 옆에 서로 다른 ω_A를 몰래 쓴 답을 확인해요. 같은 바퀴의 값이 모든 식에서 같아야 해요. 반례를 찾은 뒤에는 정지해의 존재, 비영해의 불가능, 다른 연결에서 비영해를 만드는 충분조건을 따로 쓰게 해요.

착안: Brian Dengel, What is a gear engineer? — KHK-USA가 제공한 Gear Solutions 2019년9월 글. 톱니 수·문항·부호 연결 모형·전체 해 분류와 증명은 새로 작성했어요.

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