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항력
드래그포스(Drag force, Drag)란 유체 속을 어떤 물체가 운동할 때 그 물체의 운동 방향과 반대 방향으로 유체가 저항해서 물체를 뒤로 밀어내는 힘이다. 특히 고속으로 움직일수록 항력도 급속도로 커져서 고속으로 이동하는 물체, 예를 들면 비행기나 고속철도, 자동차의 효율을 떨어뜨리는 주요한 원인이 된다. 항공기나 자동차를 비롯한 운송 수단을 설계할 때에는 무척 중요한 요소가 된다. 유선형이 디자인이 널리 쓰이는 이유도 드래그포스를 줄이기 위한 목적이다. 항력, 저항력 이라고도 부른다[1]
개요
항력은 움직이는 물체의 속도와 전면 투영면적에 따라서 달라진다. 속력이 빨라질수록, 투영면적이 넓어질수록 항력이 더 강해진다. 자동차의 경우 보통 시속 60km 이상의 속력에서부터 자동차에 작용하는 항력이 급격히 증가한다. 이는 항력이 속력의 제곱에 비례하기 때문이다. 항력이 증가한다고 저속으로만 다닐 수 없기 때문에 항력을 줄이기 위해 투영면적을 줄이는 디자인을 선택하게 된다. 일반적으로 스포츠카들의 높이가 낮은 이유가 여기에 있다. 항력을 결정하는 또다른 요인으로 형상저항이 있다. 형상저항은 공기의 흐름 속에 있는 자동차의 앞과 뒷부분의 압력차에 의해 발생한다. 자동차가 주행할 때 주변의 공기를 가르면서 이동하게 되는데 주행속도가 느릴 경우는 공기가 자동차의 표면을 따라서 흐르게 된다. 이 경우는 별다른 저항이 발생하지 않는다. 하지만 주행속도가 빨라질 경우 자동차 지붕 쪽으로 흐르던 공기가 자동차 뒷부분으로 흐르지 못한다. 일정한 흐름을 갖던 공기는 복잡한 와류의 모습을 띄게 된다. 또한 자동차의 앞부분에는 높은 압력이 나타나고 뒷부분에는 낮은 압력이 나타난다. 이렇게 압력차가 발생할 경우 형상저항이 강하게 발생한다. 따라서 자동차의 형상저항을 줄이기 위해 유선형의 디자인을 선택하게 된다. 공기와 접촉하는 부분이 급격하게 변하지 않고 부드럽게 변해야 저항을 줄일 수 있기 때문이다. 물고기의 몸체가 물의 저항을 줄일 수 있는 모양인 것과 비슷한 이치다. 유선형의 몸체를 가진 물고기가 물속을 헤엄칠 때 적은 에너지를 소비하는 것처럼 자동차도 유선형의 디자인을 적용하면서 효율적인 에너지 소모가 가능하게 됐다. 항력을 줄이기 위해 특정한 부품을 부착하기도 한다. 자동차 지붕 뒷부분에 부착하는 와류발생기는 작은 크기의 와류를 만들어 큰 와류가 생기는 것을 막아주는 역할을 한다. 작은 크기의 와류가 생기면서 공기저항을 줄여주고 그로인해 큰 와류가 발생하는 데 방해를 하게 된다. 이런 방식으로 항력을 줄이는 예로 골프공이 있다. 골프공의 표면은 울퉁불퉁하게 돼있는데 이런 형상을 딤플이라고 한다. 골프공은 유선형이 아니고 원형이기 때문에 공이 날아갈 때 공의 뒤편으로 와류가 발생한다. 이 와류 때문에 형상저항이 발생한다. 하지만 딤플이 있는 경우는 작은 홈들이 작은 와류를 만들어 큰 와류가 생성되는 것을 막아준다. 따라서 딤플이 없는 경우보다 공이 멀리 날아가게 된다.[2]
종류
- 유도항력 : 양력을 만들면 필연적으로 유도(induced)되는 항력. 이 때문에 양력과 함수 관계다. 보통 날개 끝에서 생기는 소용돌이 때문에 생기는 항력이다. 항공기의 진행을 방해하므로, 윙렛 같은 것으로 줄인다.[3]
- 유해항력 : 항공기 관점에서 양력과 관계가 없는 항력을 말한다. 영어로는 parasite drag이며 직역하여 기생항력이라고 적어 놓은 책들도 있다. 또는 양력이 0이어도 생긴다 하여 영 양력 항력(zero lift drag)라고 부르기도 한다. 발생 원인에 따라 다시 아래의 여러 항력으로 나눌 수 있다.[3]
- 압력항력' : 물체 주변 압력에 의해 생기는 항력. 특히 흐름방향 기준으로 물체 앞쪽의 압력이 높아지거나, 물체 뒤쪽 압력이 낮아지면 물체를 뒤로 잡아 끄는 항력으로 작용한다. 이것을 줄이는 가장 좋은 방법이 물체를 유선형으로 만드는 것. 배나 비행기가 유선형 모양으로 몸체를 만드는 가장 큰 이유가 압력항력을 줄이기 위함이다. 그런데 배나 비행기, 자동차 등을 만들다 보면 뒤쪽이 뾰족하게 모이지 않고 직선으로 잘리는 모양이 나오기 쉬운데 이렇게 되면 이 쪽 부근에서 공기 흐름이 끊겨 떨어져 나가 압력이 낮아지는 문제가 생긴다. 특히 이 뒤쪽에서 생기는 항력을 기저항력(base drag)라고 부른다. 자동차의 스포일러가 바로 이 기저항력을 줄이기 위한 대표적인 장치다. 골프공이나 상어의 피부가 우둘투둘한 것도 압력항력을 줄이기 위해서다. 물체 표면이 울퉁불퉁하면 밑에 설명할 마찰항력이 늘어나지만, 대신 주변 흐름이 난류가 되어서 도리어 물체 주변에서 흐름박리(흐름이 떨어져 나가는 현상)가 지연되어, 즉 더 뒤쪽에서 유동이 박리되어 압력항력은 줄어드는 효과가 있다[2]. 즉 골프공이나 상어피부(혹은 이를 본따 만든 전신수영복)은 각 상황에서 항력 발생원인중 마찰항력보다 압력항력이 더 크다 보니 마찰항력이 좀 늘어나더라도 압력항력을 더 많이 줄이기 위해 일부러 표면을 울퉁불퉁하게 만든 셈이다.[3]
- 마찰항력 :
말 그대로 마찰에 의해 생기는 항력. 모든 유체는 점성이 있으므로 유체가 흐르는 방향과 반대방향으로 잡아 끄는 힘을 만든다. 일반적으로 공기속을 비행하는 항공기는 전체 항력중 마찰항력이 미치는 영향이 적은 편이지만 물에서 운항하는 선박이나 잠수함은 마찰항력이 크게 작용한다. 물체 주변을 흐르는 유체가 층류일 수록 마찰항력이 줄어들며, 난류에서는 마찰항력이 늘어난다.[3]
- 조파항력 : 충격파에 의해 생기는 항력. 충격파를 만드느라 생기는 항력이란 뜻이며 영어로는 wave drag라 부른다. 보통 초음속에서 크게 작용하지만 실제로는 천음속, 즉 마하 0.8 정도만 되어도 항공기 모양에 따라 공기가 가속되는 부분이 생기기 때문에(이를테면 날개 위쪽) 마하 1.0을 넘어 그 부근만 초음속 흐름이 생겨 결과적으로 조파항력이 생긴다. 이 조파 항력 때문에 항공기가 가속을 할 때 마하 0.7~0.8 부근에서 갑자기 항력이 급증하며 이러한 현상을 항력발산이라 부른다. 항력발산을 좀 늦춰 보고자 나온 날개 모양이 후퇴익. 사실 실제 작용하는 힘만 놓고 보자면 이것도 압력항력의 일종이라 볼 수 있지만, 충격파라는 현상 자체가 워낙에 특이한 현상이다 보니 별도로 지칭하는 것이다.[3]
- 간섭항력 : 항공기의 구성품이 따로 떨어져있다면 생기지 않으나 붙어있다보니 그 주변을 지나는 공기흐름끼리 서로 간섭하여 추가로 생기는 항력. 주로 날개와 동체가 연결되는 부분처럼 면이 수직으로 만나는 부분에 잘 생긴다. 유도항력을 줄이는 윙렛이 개념은 간단한데도 개발되는데 오랜 시간이 걸린게 이 간섭항력을 고려해야 했기 때문이다. 유도항력 줄인답시고 붙였는데 간섭항력 때문에 항력이 더 느는 상황이 생길 수 있기 때문이다. 이 역시 작용하는 힘만 놓고 보자면 압력 및 마찰항력의 일종이지만 편의상 별도로 분류한다.[3]
- '{{트림항력]]' : 주로 항공기에서 이야기 하는 항력이다. 항공기의 비행속도나 고도, 중량에 따라서 수평비행 상태를 유지하려면 조종면(주로 수평꼬리날개의 승강타)을 일정 각도로 움직여야 한다. 이때문에 필연적으로 항력이 생기기 마련이다. 즉 트림 항력은 항공기가 수평비행 상태를 유지하다보니 생기는 항력이다. 결국 이것도 조종면 부근에서 생기는 압력/마찰 항력의 일종이지만 편의상 별도로 분류한다. 보통 승강타의 모양을 개선하거나, 아니면 아예 무게중심을 옮겨서 승강타를 큰 각도로 움직일 필요가 없도록 하여 트림 항력을 줄인다.[3]
항력계수
흔히 'Cd'로 표시되는 공기저항의 정확한 용어는 '항력 계수(Drag Coefficient)'다. 주행을 방해하는 공기저항은 속도가 빠를수록, 차가 클수록 증가한다. 때문에 공기저항을 나타내기 위해선 외부 요인을 제외한 채 순수 형상만을 기준으로 한 대표 값이 필요하다. 일반적으로 항력 계수 산출 과정은 다소 복잡하다. 우선 주행중 받는 실제 힘을 측정해야 한다. 측정에는 밸런스(저울)라는 장비가 동원된다. 일반적인 저울은 상하방향 힘을 측정하지만 항력 계수 산출이 가능한 풍동시험실 밸런스는 전후/상하/좌우 세 방향을 모두 측정한다. 이 가운데 전후방향이 연료효율과 직접 관련이 있고, 상하방향인 양력과 좌우방향의 측력은 주행안정성과 연관된다. 두 번째는 차의 전면투영면적을 알아야 한다. 전면투영면적이란 앞에서 보았을 때 눈에 보이는 면적이다. 항력 계수가 동일하다면 전면투영면적이 클수록 공기저항도 커지기 마련이다. 면적 측정에는 일반적으로 레이저가 동원된다. 세 번째는 정확한 바람의 속도다. 이를 위해선 실제 바람이 나오는 노즐이 커야 한다. 국내 유일한 현대기아차 풍동시험실 노즐 크기는 가로 4m, 세로 7m다. 일반적인 차의 전면투영면적인 가로 2m, 세로 2m의 14배 수준이다. 이들 세 가지 조건이 충족된 후 항력 계수가 산출된다. 항력 계수만 보면 낮은 차일수록 효율이 좋다. 주행속도가 시속 80㎞ 이하라면 구름저항과 기계저항이 영향을 미치지만 시속 80㎞ 이상은 공기저항이 효율 저하의 주요 원인이다. 따라서 고속주행이 많은 사람은 항력 계수를 눈여겨 봐야 한다. 낮은 차를 구매하는 게 경제적으로 유리하다는 얘기다. 항력 계수가 10% 낮으면 고속연료효율은 5% 가량 좋아진다. 공기 저항은 형상 저항, 하부 저항 그리고 냉각 저항으로 구분되기도 한다. 형상 저항은 디자인과 밀접하다. 이에 따라 디자인 초기부터 해석과 시험을 통해 최적 형상을 만들어 낸다. 또한 풍동평가로 하부 및 냉각부분의 저항도 측정, 최적화 하는 작업이 병행된다.[4]
