항력과 횡력 줄이고 다운포스 키우기 기술과 문화
2000-01-30  |   27,158 읽음
지난 호에는 경주차가 앞으로 나가는 것을 막는 공기의 힘을 항력·횡력·양력으로 나누고, 그 성격을 살펴보았다. 이번에는 그 힘을 줄여 빨리 달릴 수 있는 구조와 설계를 다루기로 한다.

공기저항 줄이기
먼저 공기저항(항력)을 줄이려면 어떻게 해야 할까. 항력이란 차 주위에서 일어나는 공기의 소용돌이에서 일어난다. 따라서 소용돌이를 줄이면 뒤로 끌어당기는 항력(drag)이 작아진다.

항력을 줄이려고 할 때 소용돌이가 물체와 떨어져 나가는 박리점(剝離點)을 가능한 한 뒤로 돌리는 방법이 있다. 알맞은 위치에 돌기를 달거나 표면의 곡률을 알맞게 잡으면 소용돌이가 뒤로 멀리 물러난다. 그와는 달리 소용돌이를 빨아들여 없애거나 공기를 뿜어내어 소용돌이가 일어나지 못하게 막는 방법도 있다. 끝으로 소용돌이가 일어나지 않는 모양으로 설계하기도 한다<그림 1>.

양력과 다운포스의 상관관계
그러면 비행기와 자동차의 공력 특성을 비교해 보자. 비행기는 공중을 날기 위해 양력이 필요하다. 하지만 자동차는 떠오르는 양력이 아니라 땅에 타이어를 단단히 눌러주는 마이너스 양력, 곧 다운포스가 있어야 한다.

비행기 날개 위쪽은 볼록하게 솟아 있다. 위쪽을 흐르는 공기의 속도가 아래쪽을 흐르는 공기의 속도보다 빠르다. 때문에 공기가 아래쪽으로 몰려들어 위로 올라가는 양력이 생긴다(베르누이의 정리).

그와는 달리 자동차는 노면에 타이어를 찰싹 붙이고 달려야 한다. 따라서 비행기와는 반대로 밑으로 내리누르는 다운포스가 성능과 이어진다. 포뮬러카는 비행기와는 정반대로 다운포스를 이용한다<그림 2>.간편한 공력장치 스포일러
실제로 차를 이용해 공기의 흐름을 확인하는 방법으로 텁트 법(氣流絲法)이 있다. 차에다 실을 여러 가닥 붙여 달리면서 실이 날리는 모양을 사진으로 잡는다. 실이 날리는 모양에 따라 공기저항이 어떤지를 눈으로 볼 수 있어 편하다. 시험 결과를 바탕으로 차의 스타일을 어떻게 바꾸어야 하는지를 밝혀낸다<그림 3>.

자동차는 노면에 접한 타이어에 걸리는 무게가 성능에 영향을 준다. 따라서 여러 가지 공력 부품을 달아 다운포스를 키우려고 한다. 달기에 아주 쉽고 다운포스를 늘릴 수 있는 공력 부품이 스포일러다.

스포일러가 달리지 않은 차는 앞쪽의 공기가 그릴 정면에 부딪친 다음 차 아래위로 갈라져 흘러간다. 따라서 아래로 들어가는 공기는 양력을 만들고, 위로 올라가는 공기는 다운포스를 만들어 어느 정도 상쇄된다. 그러나 앞쪽에 스포일러를 달면 공기가 모두 위로 올라가며 다운포스를 낸다.

그리고 뒤쪽도 스포일러를 달지 않으면 기류의 일부가 테일에서 소용돌이를 일으켜 양력을 일으킨다. 그러나 스포일러를 달면 그 자리에서 다운포스가 생긴다<그림 4>.

효율 높은 경주차의 윙과 카울
포뮬러카는 앞뒤에 달린 윙으로 다운포스를 조절한다. 윙은 다운포스를 간단히 조절할 수 있게 만든 공력장치다.
따라서 순식간에 다운포스를 조절할 수 있는 윙이 레이스에 얼마나 유리한가를 쉽게 알 수 있다. 반면 비행기는 날개를 이용해 하늘을 난다. 이로 미루어 날개가 얼마나 큰 힘을 내는가를 알 수 있는 것과 마찬가지다.

경주차는 윙에 대한 공기의 흐름에 따라 다운포스가 좌우된다. 윙의 각도가 같아도 공기의 흐름이 좋으냐 나쁘냐에 따라 다운포스의 크기가 달라진다<그림 5>.
뿐만 아니라 경주차는 카울이 있느냐 없느냐에 따라 윙으로 가는 공기의 흐름이 크게 바뀐다. 나아가 카울의 모양이 공기의 흐름에 영향을 주는 것은 말할 나위도 없다<그림 6>.

이와 같이 눈에 보이지 않는 공기의 힘은 아주 크다. 경주차의 세계에서 공기와의 싸움은 성능을 결정짓는 대단히 중요한 개발 항목이다.
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