엔진 특성에 대해 이야기할 때, 누구나 편히 사용하는 토크와 출력(마력)이라는 말. 저~중회전 영역에서 강력할 느낌이 날 때는 토크풀, 고회전에서 강력하면 출력이 세다고 표현하는 경우가 많다. 틀린 말은 아니다. 하지만 역학적으로 보면 분명히 의미가 다르다. 우선, 토크와 출력을 과학적으로 바라보자.

 토크와 출력을 이해하기 위해, 자신의 신체로 직접적으로 체감할 수 있는 자전거를 예로 생각해 보자. 토크라고 하는 것은 물체를 회전시키는 “힘”의 크기를 나타내고 있고, 단위는 kg.m다. 돌리는 힘과 회전축에서 떨어진 길이만큼 곱한 것으로, 페달을 10kg의 힘으로 밟는데 페달 길이가 170 mm라고 하면, 크랭크 축에 걸리는 토크는 10 X 0.17=1.7kg.m가 된다(최근에는 토크를 표현할때 N.m라고 하는 단위로 나타내는 경우가 많지만, N(뉴튼)은 힘의 단위로서는 일상생활에 익숙하지 않은 단위이기 때문에, kg.m로 예시를 든다.)

  그리고, 크랭크측의 스프로켓이 36T이고 후륜측이 18T라고 하면, 감속비는 0.5(자전거에서는 크랭크보다 후륜을 증속 하는 케이스가 많아, 그 경우, 감속비는 1보다 작아진다)이 되어, 후륜의 회전수는 크랭크축의 회전수의 2배가 되는 반면, 후륜 토크는 반으로 줄어들어 0.85 kg.m가 된다.그리고, 타이어의 외경이 700 mm라면, 후륜 구동력은 0.85÷0.35=2.43 kg가 되어, 그 힘으로 앞으로 나아가게 된다.

변속을 하여 후륜측 스프로켓이 12T로 바뀌면 감속비는 0.333으로 바뀌고, 후륜 토크는 0.566 kg.m, 구동력은 1.62 kg가 된다.

반대로 말하면, 같은 후륜 구동력을 얻기 위해서는, 감속비가 큰 편이 페달을 밟는 힘은 가벼워서 편하다. 자전거가 오르막 구간에 있거나 큰 구동력이 필요하게 되었을 때엔 감속비를 크게 하는 편이 앞으로 나아가기 쉬운 것이다.

 우선 여기서 확인해야 할 부분은, 토크는 바이크를 전방으로 밀어 내는 힘의 크기를 나타내고 있어도, 그 때 크랭크가 몇rpm으로 돌고 있는지, 속도가 어느정도인가에 대해서는 관계가 없다는 것이다. 후륜 토크(후륜 구동력)를 크게 하고 싶은 것 뿐이라면, 감속비를 크게 하면 된다. 하지만 그렇게 하면 회전수가 떨어져 속도는 낮아져 버린다. 자전거로 말하면, 감속비가 커져 페달이 가벼워져도, 속도를 같게 유지하려면 , 그만큼 페달을 빠르게 밟지 않으면 안 되는 것이다.

 그래서 페달을 돌리는 속도도 포함하여 수치로 나타낸 것이 출력이다. 회전력의 크기 뿐만이 아니라, 단위 시간 내에 얼마나 일을 했는지를 알 수 있게 된다. 자전거의 페달을 10kg로 밟아, 크랭크 매초 1회 회전시킨다고 하자. 1초당 일량은, 밟는 힘의 크기×매초의 페달의 이동거리이니까, 10×0.17×2×π=10.68kg.m/sec.75kg.m/sec로, ps단위로 환산하면 약 0.14 ps를 발휘하고 있는 것이다. 후륜 측을 기준으로 생각해도, 감속비18/36=0.5 상태로, 매초의 일량은 후륜 구동력×타이어 외주의 이동거리이므로, 2.43×0.7×π×2=10.68kg.m/sec으로 동일하다. 즉, 발생 마력에 변화는 없는 것이다. 또 후륜 구동력과 후륜 회전수를 바꾸어, 감속비가 12/36=0.333으로 바뀌어도 페달이 무거워진 만큼 회전수는 낮아지 때문에 발생하는 마력에 변화는 없다.

 이것을 바이크에 적용시키면, 100 km/h의 순항 중 6단으로 하고 있을때나 4단으로 하고 있을때나, 엔진에서 발생하고 있는 마력에는 변화가 없다. 또 후륜 토크에도 변화는 없다. 다만 그 때의 크랭크축에 걸리는 토크는, 낮은 단수 쪽이 작다. 원하는 속도로 달리게 하려면 구동륜을 그 속도로 회전시킴과 동시에 구동륜에 걸리는 주행 저항을 이겨낼 수 있는 크기의 구동력을 계속 전달해야 한다. 즉 속도가 변화하지 않더라도 일정한 출력이 필요하게 된다.

 그런데, 이전에 설명한 자전거의 경우, 속도는,(계산식은 생략) 약 15 km/h이다. 속도를 2배로 높이려면 , 페달을 2배의 속도로 밟지 않으면 안 된다. 당연히 큰 답력도 필요하게 된다. 타고 있는 인간은 2배 이상의 출력을 낼 수 있도록 , 일을 하지 않으면 안 되는 것이다. 시간당 많은 열량을 만들어내야 하기 때문에 그 만큼 산소도 필요하게 되고, 땀을 흘리고, 헐떡거리게 된다.

 다시 한번 요약하여 보자면, 토크는 축을 회전시키는 “힘”의 크기로, 회전수는 관계가 없다. 그리고, 출력은 "일한 양"으로 회전수도 포함하고 있다. 그러니까 최고속을 높이려면 , 큰 구동력을 고회전으로 발생시켜야 한다. 결국은 출력이 필요하게 된다는 것이다. 회전수 뿐만 아니라, 당연히 토크가 크면, 파워도 커진다. 같은 회전수에서 토크가  2배가 되면, 출력도  2배가 된다. 환산식을 소개하면, 토크값(kg.m)에 분당 회전수(RPM)을 곱하고 716.2로 나눈 것이 출력(ps)이 된다. 앞의 자전거에 적용시켜보면, 1.7 kg.m의 토크를 60rpm에서 발생하고 있기 때문에, 파워는 0.14 ps가 된다.

 실제 엔진에서는, 성능표에 나타나는 것처럼 토크 커브와 파워 커브는 다른 곡선이 그려진다. 엔진에서 토크는, 연소압이 피스톤을 눌러 내리는 힘으로 정해진다. 흡기가스가 연소실에 가장 진하게 충전되어 연소압이 최고로 되는 회전수에 대해 토크가 피크를 맞이한다. 하지만 토크가 피크 회전수를 지나 낮아지기 시작해도, 토크에 회전수를 곱한 값(즉 출력)은, 상승추세는 둔화되지만 여전히 상승을 계속하게 된다. 그래서, 최고 출력 발생 회전수는, 최고 토크 발생 회전수보다 더 높다.

-보배드림 바이크