공기저항

공기저항(Air Resistance, 空氣抵抗)은 자동차가 운행 중 공기로부터 받는 저항으로, 자동차의 정면 면적에 비례하고 자동차 속도의 제곱에 비례한다.

특징

공기저항은 공기 속을 운동하는 물체가 공기로부터 받는 저항이며, 물체와 공기의 상대속도의 크기에 따라 저항이 작용하는 양상에 두 가지가 있다. 물체가 저속이어서 공기의 흐름이 층류가 되는 범위에서는 공기의 점성에 의한 마찰저항이 작용하여 그 크기는 공기와 물체의 상대속도의 크기에 비례한다. 이것을 점성저항이라 한다. 또한 물체의 빠르기가 커져서 층류가 허물어지기 시작하면 물체의 배후에 소용돌이가 생겨 저항력은 상대 속도의 제곱에 비례해서 커진다. 이때의 저항은 이미 점성과는 관계가 없고, 물체가 공기에 미치는 힘의 반작용에 의해 공기로부터 받는 힘이다. 이것을 관성저항 또는 형상 저항이라 한다.

공기저항계수

공기저항계수는 물체가 움직이는 방향에 반대 방향으로 작용하는 공기의 저항력을 나타내는 계수이다. 즉, 공기저항계수가 높으면 물체가 운동할 때 공기의 저항을 많이 받는다는 의미이다. 공기저항계수를 나타낼 때 단위는 Cd로 표현한다. 물체가 운동 방향에 대해 유선형의 모양을 가질 경우에 그렇지 않은 경우보다 낮은 공기저항계수를 가진다. 또한 공기저항은 속도인 μ의 제곱에 비례해서 커지며 속도가 2배 빨라지면 공기의 저항은 4배 커진다. 더불어 자동차에 있어 주행 시 공기저항은 차체의 앞을 가로막고 와류에 따라 뒤에서 잡아당기는 항력뿐만 아니라, 차체를 위로 들어 올리는 양력과 옆으로 밀어내려는 횡력 모두에 영향을 미치는 요소로 낮은 공기 저항 계수는 연비 또는 전비 1을 상승시키는 아주 중요한 요소이다. 그에 따라 자동차 제조사들은 풍동 실험실을 이용해 자동차 주위로 흐르는 공기의 흐름을 연구하고 공기 저항 계수를 낮출 수 있도록 설계하고 있다. 일반적으로 공기저항을 10% 줄이면 연비가 2% 상승하며, 전기자동차의 경우 주행거리가 5% 증가하며, 자동차의 공기저항계수가 0.01 감소 할 때마다 차체의 무게가 40kg 줄어드는 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 공기저항은 유체의 질량 밀도와 유체에 대한 특정 물체의 속도, 그리고 항력의 힘을 통해 계산할 수 있다. 공기저항계수에 많은 영향을 끼치는 것은 단연 속도와 투영 면적이다. 진행 방향에 대해 직각인 면의 공기 저항 계수는 1.25이며, 가장 낮은 수치는 0.2 Cd 초반대로 기록되고 있고 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company) 아이오닉의 경우 0.24 Cd의 공기저항계수를 통해 우수한 연비를 구현하고 있다. 세단의 경우 통상 0.26~0.35 Cd를, SUV는 0.30~0.40 Cd 수준을 기록한다. 그러나 공기저항계수가 낮다 하더라도 차량의 절대 면적이 넓다면 공기의 저항 자체는 커진다. 자동차에 작용하는 공력은 항력만이 아니라, 전후, 좌우, 상하 방향의 3차원 좌표와 자동차의 위치에 따라 6가지의 힘으로 나뉜다. 이를 공력 6분령이라고 하며 자동차의 선회 성능, 마찰력 등에 영향을 미친다. 자동차의 공력 성능 연구는 1970년대 후반 풍동 실험을 통해 비약적으로 발전하기 시작했다. 풍동 실험실에서는 파라핀계 오일을 태울 때 발생하는 백색의 연기를 터빈에서 나오는 강력한 바람에 실어 차체 주위에서의 공기의 흐름을 확인하며, 풍동의 거대한 팬은 최고시속 250~300km/h의 인공풍을 구현할 수 있다.

공기저항 감속 브레이크

공기저항 감속 브레이크는 경주용차나 스포츠카에서는 제동 시에 공기저항을 증가시키는 방법으로 주 제동 브레이크의 부하를 감소시키는 방식을 이용하기도 한다. 차량 외부의 적당한 위치에 디플렉터를 설치하여, 제동 중에 이 디플렉터를 크게 펼치면, 디플렉터에 작용하는 공기의 저항에 의해 자동차는 추가 제동력을 확보하게 된다. 더불어 감속 브레이크는 자동차가 주행하는 동안에만 작동효력이 있다. 특히, 긴 언덕길을 내려갈 때, 제동작용을 하여 주 제동 브레이크의 부하를 감소 시켜 주 제동 브레이크를 보호하는 기능을 하며 정상적인 감속을 위해 주 제동 브레이크 대신 사용할 수 있다. 감속 브레이크에는 엔진 브레이크, 와전류 감속기, 유압 감속기, 공기저항 감속기 등이 있고 감속 브레이크가 작동될 때에도 제동 등을 점등시킬 수 있다.

참고자료

• 사이언스올, 〈공기저항〉, 《사이언스올》, 2010-08-04
• 〈공기 저항 계수〉, 《에프유디》
• 뷰 에이치, 〈공기의 저항은 자동차에게 장애물이기만 할까?〉, 《네이버 포스트》, 2017-11-24
• 〈공기저항 감속브레이크〉, 《네이버 지식백과》
• 행복남, 〈제3브레이크〉, 《티스토리》, 2019-03-02

같이 보기

• 공기
• 저항
• 공기저항계수
• 속도
• 운행

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