공기저항계수

공기저항계수는 체의 운동 방향과 반대 방향으로 작용하는 공기의 저항력을 나타내는 계수이다. Cd값이라고도 한다. 가장 흔히 쓰이는 계수(Cd)는 공기의 저항력(Fd)을 0.5, 공기의 밀도(ρ), 물체의 공기에 대한 상대 속도(u)의 제곱과 운동 방향에 수직인 물체의 단면적(A)으로 나눈 값이다. 즉, Cd = Fd/(0.5ρu2A)이다.

개요

공기의 흐름에 대항하는 계수로서 일반적으로 Cd로 표시하며, 공기저항 계수는 수치가 낮을수록 차의 연비, 최고 속도, 조종 안정석, 접지력의 향상을 꾀할 수 있으며 주행 중에 발생하는 바람소리 및 자체가 좌우로 흔들리는 롤링 현상을 감소시키는 결과를 얻을 수 있다. 주행에 따르는 3가지 공기저항, 즉 차체를 앞뒤에서 가로막고 당기는 항력, 위로 들어올리려는 양력, 옆으로 밀어내려는 횡력이 일어나게 되는데 이들은 Cd 값에 좌우된다. 공기저항계수는 차의 모양에 따라 큰 영향을 받기 때문에 대부분 차 모양이 유선형을 띄고 있다. 자동차 업체들은 자동차 디자인을 할 때 공기저항을 줄이면서 미적인 면을 부각시키기 위해 다양한 시도를 하고 있다. 일반적으로 세단은 공기저항계수가 0.3~0.4이다.

측정방법

정확한 공기저항계수를 측정하기 위해서는 3가지가 필요하다. 정확한 전면투영면적의 값, 어느 곳에서나 균일하고 일정한 속도의 바람, 앞뒤, 전후, 좌우 힘을 측정할 수 있는 밸런스 장비이다. 전면투영면 적은 레이저를 활용해 비교적 쉽게 얻을 수 있는 값이다. 전면투영면적이란 앞에서 보았을 때 눈에 보이는 면적이다. 항력계수가 동일하다면 전면투영면적이 클수록 공기저항도 커지기 때문이다. 면적 측정에는 일반적으로 레이저가 동원된다. 두 번째는 일정한 속도와 바람이다. 균일하고 일정한 바람을 만들려면 실제 바람이 나오는 노즐이 커야 한다. 국내 유일한 현대기아차 풍동실험실 노즐 크기는 가로 4m, 세로 7m다. 일반적인 차의 전면투영면적인 가로 2m, 세로 2m의 14배 수준이다. 그리고 세 번째로는 앞뒤, 전후, 좌우의 주행 중 실제 받는 힘을 측정해야 한다. 측정에는 밸런스(저울)이라는 장비가 동원된다. 일반적인 저울은 상하 방향 힘을 측정하지만 항력 계수 산출이 가능한 풍동실험실 밸런스는 앞뒤, 전후, 좌우의 세 방향을 모두 측정한다. 전후 방향은 연료 효율과 직접적인 관련이 있고, 상하 방향인 양력과 좌우방향의 측력은 주행 안정성과 연관된다. 이들 세 가지 조건이 충족된 후 항력 계수가 산출된다.

설계

자동차 제조사들은 공기저항과 고속주행 안전성을 발전시키기 위해 다양한 부분에서 많은 신경을 쓰고 있다. 그중 하나가 자동차 밑면이다. 보통 차의 밑면은 차에 들어간 대부분의 부품이 마치 지도를 펼쳐놓은 듯이 날것 그대로 들어나기 마련이다. 엔진과 트랜스미션이 있고, 배기 매니폴드를 타고 내려온 중통과 엔드 머플러까지 이어진 배기파이프들 등이 얽혀있다. 이것들이 원래는 날것으로 개방되어 있었지만 지금은 점차 가려지고 있다. 외국 고급차와 슈퍼카 등은 예전부터 이런 형태를 유지해 왔지만 이렇게 차 밑을 막아놓은 이유는 고속주행 시 공기의 흐름을 원할하게 하기 위함이다. 차량이 주행할 때 공기가 위와 옆 그리고 아래로도 지나가기 때문이다. 아래를 지나간 공기는 차의 하부 공간을 타고 뒤로 빠지게 된다. 이런 공기역학은 주로 레이싱카에만 사용되던 기술이었는데 최근에는 많은 차종으로 확대되고 있다. 하부뿐만 아니라 윗면도 공기역학을 위해 신경 쓰고 있다. 차량이 주행할 때 앞으로 나아가기 때문에 바람을 차량의 전면부터 받게 된다. 이 전면을 타고 곧장 지붕으로 바람이 넘어가는데 이때 공기가 매끄럽게 지나가는 것이 중요한 경기 역학적 요소 중의 하나이다. 따라서 가운데 부분을 약간 구부린 '파고다 루프'가 고안됐으며 공기저항을 줄이는 것에도 많은 도움이 된다.

차량별 저항계수

전기차는 대부분 공기저항계수가 낮은 편이다. 자동차 안에 한정된 공간에서 배터리를 무한정 크게 늘릴 수 없기에 효율이 중요하다. 테슬라 모델3가 0.23Cd로 매우 낮은 편이며, 아이오닉 일렉트릭 0.24Cd, LF 쏘나타 하이브리드 0.26Cd도 우수한 편이다. 코나 일렉트릭과 재규어 I-페이스의 경우 SUV 차체로 불리하지만 0.29Cd로 동급내연기관 SUV보다 낮게 나왔다. 일반 모델 기준으로는 LF소나타가 0.27Cd, 제네시스 G70 0.28Cd, 싼타페는 0.337Cd이다. 메르세데스-벤츠 E-클래스의 경우 0.23Cd이며, 신형 5시리즈 G30은 0.22Cd이므로 전기자동차와 비슷한 수준을 자랑한다.

참고자료

• 이형근 기자, 〈(알아봅시다) 자동차 제원〉, 《디지털타임스》, 2010-03-02
• 권용주 기자, 〈(기획)자동차 항력계수(Cd), 어떻게 측정하나〉, 《한국경제》, 2021-01-06
• 석연, 〈'공기저항계수' 낮으면 좋다는데 뭘 의미하죠?〉, 《자동차기술백서》, 2019-06-28
• 김동연 기자, 〈공기역학 설계 잘못되면 차가 비행기처럼 이륙할 수도 있어〉, 《조선펍》, 2016-08-10

같이 보기

• 유체역학
• 엔진
• 운전

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