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접지력
접지력(接地力) 또는 그립(Grip)이란 타이어가 노면에 닿아 헛돌지 않고 자동차를 움직이거나 멈추게 하는 힘이다.
개요
자동차가 접지력에 영향을 끼치는 요소는 차량의 하중, 속도 등 다양하지만 가장 큰 영향을 미치는 것은 타이어로 노면과 달라붙는 힘과 타이어 고무의 움직임에 따라 에너지 손실이 발생하여 얻어지는 힘 둘 다를 말한다. 접지력이 클 경우에는 제동성, 가속성, 코너링이 향상되는 등 뛰어난 성능을 발휘하지만 차량의 진동이나 소음이 커지게 하고 차량의 최고 속도가 낮아지기도 한다. 하지만 적당한 접지력을 가진 타이어는 긴급상황에서 제동거리를 줄여 사고예방이 되기도 한다.[1] 접지력의 사용이 주로 많이 이루어지는 모터스포츠에서는 그립이 살아 있느냐 아니냐에 따라 레이싱카의 움직임이 달라지고 그립을 최대한 살리는 주행이 유리하게 작용된다.[2]
요소
타이어가 노면을 뒤로 미는 힘을 마찰력이라고 하고 그 힘의 반력으로 생기는 힘인 구동력 때문에 차는 앞으로 나아가게 된다. 여기에 접지력은 구동력과 마찰력에 영향을 끼치는 요소로 타이어와의 연관성이 매우 높다. 타이어가 지면에 닿는 면적인 접지면적은 타이어의 중량과 공기압에 의하여 영향을 받는데 다음과 같은 산출 공식을 따른다.
P(압력: 타이어의 접지 면적)= F(힘: 자동차의 중량)/ A(면적: 타이어의 공기압)
이로 인하여 알 수 있는 것은 타이어의 접지면적이 타이어의 상태변화에 따라 달라진다는 것을 알 수 있어 접지력과 타이어 간의 관계를 나타내게 된다.
- 공기압
접지 면적 공식에 의하여 공기압이 낮을수록 타이어의 변형량이 늘어나 접지면적이 증가하게 된다. 타이어의 공기압이 낮으면 타이어가 쉽게 찌그러지고 변형이 되어 접지력이 높아진다. 하지만 너무 낮으면 바깥 부분이 먼저 빨리 닳는 편마모가 생기며 타이어 수명이 짧아진다. 특히나 고속주행 시 타이어의 변형이 심하면 타이어가 터저버리는 일이 자주 발생하기도 한다. 타이어의 공기압을 높여 사용하면 타이어는 변형되지 않지만 공기압이 너무 높다면 오히려 타이어의 가운데만 튀어나오게 된다. 때문에 접지력이 떨어져 승차감도 나빠지고 가운데 부분만 빠르게 마모가 진행된다.[3] 다른 이유로는 열과의 연관성이 있다. 타이어 공기압이 클수록 타이어 내 공기가 가열되는 시간이 짧아져 타이어가 적정 온도에 이르고, 접지력이 최대가 되는 시간이 짧아진다. 이와 같은 원리로 공기압이 크면 반응성이 높아지나 접지력을 잃기가 쉽고 공기압이 적을 수록 반응성이 둔해진다. 다만, 오프로드를 주행하는 차량의 경우 노면이 험해 일정 수준으로 공기압을 줄여 고부하, 고열, 고압의 가혹한 주행 상황에서 최적의 타이어 접지면적을 확보할 수 있게 된다.
- 접지면적
물리학에서의 공식에는 마찰력과 물체의 넓이는 비례한다. 그렇다면 타이어의 폭이 넓을수록 접지력이 좋아지는 것인가 의문이 들 수 있다. 결론적으로 너비가 넓은 타이어는 땅에 닿는 접촉면도가 넓기 때문에 접지력이 좋다는 생각은 틀린 접근이다.[4] 땅의 닿은 접촉 면적을 숫자로 계산하면 타이어의 폭과 관계없이 동일 한 값을 얻게 되는데 이는 컨택패치의 특성 때문에 있다. 컨택패치란 휠이 완전할 때 지면에 닿는 부분으로 노면과 닿는 면은 타이어의 폭이 넓으면 접촉 길이는 짧아지고, 타이어의 폭이 좁으면 접촉 길이는 길어지게 된다. 그리하여 땅에 닿는 접촉 면적을 계산하여 비교하면 동일한 넓이를 같게 되는 것이다. 즉, 같은 공기압이라면 접지면적에는 차이가 없고 오로지 접지 형상에만 변화가 있을 뿐이다.[5] 따라서 광폭타이어가 일반타이어에 비하여 접지력이 높지만 접지면적의 우위로 인하여 접지력이 우수하다는 말은 아니다. 이러한 컨택패치의 형상에 따라 코너링 성능도 달라지는데, 앞서 말했듯이 타이어 폭이 넓으면 세로가 짧고 가로가 긴 형상으로 종그립(세로 방향 접지력)에 대한 마찰력을 감소시키는 대신에 횡그립(가로 방향 접지력)에 대한 마찰력을 증가시킬 수 있다는 것이다. 이는 코너링 시에 자동차 성능에 긍정적인 영향을 가져올 수 있고 반면, 종그립을 잃었기 때문에 재가속 혹은 직진 가속 시 일반타이어 보다 해당 성능이 떨어지게 된다.
마찰력
마찰력은 접촉해 있는 면의 넓이로, 그 면의 거칠고 부드러운 정도에 의해 결정된다. 기본적으로 면적이 클수록 마찰력이 크며 마찰력은 수직항력(하중)에 비례한다.
f(마찰력) = μ(마찰계수, 거칠기)* N(수직항력, 하중)
마찰력의 기본 법칙을 보면 거칠기와 수직항력에 비례할 뿐 접지면적과는 상관이 없음을 보여준다. 노면에 대해 발생시키는 접지력은 단순 마찰력으로만 나타나는 것이 아니라 접지력 = 마찰력 + 점착력으로 나타내기 때문이다. 여기서 마찰력은 수직항력에 비례하는 함수이고, 점착력은 접지면적에 비례하는 함수로 나타내기 때문에 따라서 같은 하중이 실리더라도 접지면이 넓은 타이어가 점착력이 커서 높은 접지력을 확보한다.[6] 결과적으로 타이어는 접촉면적(트레드 면의 고무양과 변형량)이 간접적인 변수로 작용한다고 판단된다. 그리하여 타이어의 트레드 모양은 마찰력을 조절하는 데에 중요한 역할을 한다. 트레드가 없는 타이어는 접촉 면적이 넓어 큰 마찰력을 제공한다. 재질도 중요한 요소로 타이어의 고무가 부드러울수록 변형이 쉬워 땅에 닿는 넓이가 크다.[7]
- 하중
하중이 높으면 자동차의 바퀴가 지면에 더욱 붙게 되어 접지력이 높아진다. 마찰력과 연관되어 수직으로 누르는 힘에 비례하여 누르는 힘이 강할수록 마찰력은 증가하기 마련이다. 때문에 기술자들은 차량의 무게 이외에도 공기역학적으로 누르는 힘을 만드는데 이를 다운포스라 한다.[8] 하중을 이용하여 코너의 무게 배분을 바꾸면 네 바퀴에 걸리는 하중이 바뀌어 결과적으로 타이어의 접지력을 바꿀 수 있다. 코너의 방향이 편중된 트랙에서 하중이 어느 한 바퀴에 몰리도록 설정하여 자동차의 반응을 개선하기도 한다.
- 열
타이어의 접지력은 다른 마찰재와 마찬가지로 발열과 매우 밀접한 관련이 있다. 타이어는 일정 수준 이상의 온도에서 타이어의 성질이 변하면, 마찰계수 저하로 인하여 타이어 그립이 감소한다. 타이어는 낮은 온도에서 경화되어 있다가 일정 수준 온도가 올라가면서 부드러워지는 고무의 특성에 따라서 열을 받으면 타이어가 부드러워져 표면에 더 잘 달라붙게 된다.[4] 타이어의 발열은 주로 사이드 월의 변형에 의해 발생한다. 사이드월의 변형량이 많으면 발열이 많게 된다. 이는 타이어의 폭과 밀접한 관련이 있다. 차량 중량과 타이어 공기압이 같은 조건이라면 일반타이어의 접지면과 폭이 넓은 광폭타이어의 접지면은 면적이 같지만 모양이 다른데, 진행 방향으로 더 긴 모양은 사이드 월의 변형이 더 많다. 타이어와 노면이 만나며 생기는 마찰력에서 생기는 열과 그 열울 방출하는 과정에서 길이가 길어 같은 면적이 지면에 닿는 시간이 길어지게 되어 발열이 더 심하고 식히는 데에 오랜 시간이 필요하기 때문에 접지력이 떨어진다는 것을 의미한다.[9]
영향
자동차가 잘 달리기 위해서는 다양한 요소들이 필요하지만 특히나 타이어의 접지력이 중요하다. 타이어 한 개 기준으로 지면에 닿아 있는 면적은 손바닥 하나보다 크거나 작은 정도로 이 정도로 무게를 견디는 동시에 접지력을 유지시킨다. 차량이 가진 엔진의 힘을 노면에 직접적으로 전달해야 하는데, 구동력과 피동력으로 인하여 구름저항 현상이 발생한다. 차의 바퀴가 노면과 접촉하며 나아갈 때 발생하는 힘으로 요철을 넘을 때 흔히 느낄 수 있는 현상이다. 구름저항을 최소화시키고 차가 가진 힘을 충분히 전달할 수 있는 구동력을 모두 갖추어야 차량이 움직이는 것이다. 이때 중요한 건 접지력을 통한 마찰력으로 마찰력이 생기지 않거나 부족하게 된다면 차량은 앞으로 나가지 못하고 공회전만 하게 될 것이다.[10] 때문에 접지력을 얼마만큼 끌어내느냐에 따라서 자동차의 성능이 크게 달리고 특히나 코너를 돌아가는 능력은 타이어의 접지 능력이 절대적으로 좌우한다. 자동차를 움직이는 역할도 하지만 세우는 역할도 하는데 코너에서 접지력을 잃는다면 사고로 이어진다. 타이어의 접지력은 무한하지 않아서 오히려 금세 한계에 도달하거나 이를 넘어 접지력을 잃어버리기 십상이다. 코너링 중에 타이어가 접지력을 잃는 현상인 언더스티어와 오버스티어는 사고의 원인이 된다. 하지만 이러한 현상을 의도한 대로 사용하는 것이 드리프트이다. 일반적 운전자라면 안정적으로 네 바퀴의 접지력을 유지하면서 달리는 것인 그립주행을 기본으로 하며 달린다. 하지만 만약 코너에서 자동차의 속도나 물리력이 타이어 그립의 한계를 넘어 버린다면 구동 바퀴로부터 먼저 접지력을 잃어 바깥으로 밀려나게 되고 미끄러지는 차량을 컨트롤한다면 그것이 바로 드리프트가 된다. 모터스포츠에서는 자주 있는 현상으로 접지력을 잃어버리는 순간 어느 정도 접지력 변화가 예측이 가능해야 하고, 드라이버가 잘 대처할 수 있도록 완만하게 미끄러져야 가능한 일이다.[2] 이는 근본적으로 접지력은 운전에 있어서 굉장히 중요한 요소임을 나타낸다.
관계
타이어
노면의 상태에 따라 마찰력의 차이를 보여주는 것이 트레드 패턴으로 일반적으로 패턴 디자인에 따라 타이어 용도와 성격이 결정된다. 트레드 패턴은 타이어의 구동력, 제동력, 선회력을 노면에 전달하는 역할을 하는데 용도에 따라 가장 효율적인 패턴의 무늬를 채용한다. 세로로 굵게 새겨진 선들은 젖은 도로 위를 달릴 때 물을 배출할 수 있도록 하고, 가로로 새겨진 얇은 선들은 자동차의 접지력을 높이는 역할을 한다. 겨울용 타이어는 마찰력으로 생기는 수분으로 인하여 수분이 제대로 배출되지 못하면 수막으로 인하여 접지력이 현저히 떨어져 미끄러지게 되는데 때문에 겨울용 타이어는 세로로 굵게 새겨진 선들이 더 넓고 깊게 새겨져 있고, 가로로 새겨진 얇은 선들은 더욱 촘촘히 새겨져 접지력을 높게 하였다.[11] 무늬가 아무것도 없는 슬릭타이어는 보통 마른 노면에서의 경주에서 많이 쓰이는데 노면으로부터 마찰력을 발생시켜 가장 많은 마찰력을 얻을 수 있다. 하지만 많은 마찰력으로 인하여 마모가 비교적 쉽게 되어 빠른 시간에 타이어가 교체되기도 한다. 그렇다고 해서 마모되어 트레드가 불분명한 타이어가 접지력이 높은 것은 아니다.[5] 타이어의 접지력은 접지면적뿐만 아니라 고무의 양도 영향을 미치게 되는데 접지면적이 넓어졌음에도 불구하고, 그동안의 열화와 경화가 일어나는 전반적인 노화현상으로 인하여 접지력이 낮아진다.
서스펜션
서스펜션은 자동차가 움직이는 한 끊임없이 상하운동을 하게 되는데, 직관적으로 충격을 덜어주는 개념이라고 생각하지만 다른 역할로 접지에서 영향을 준다. 차량은 상하의 변위 없이 고정되어 있고 바퀴만 노면 상태에 맞춰 상하로 쉼 없이 움직인다고 생각하는 것이 이해가 쉽다. 즉, 서스펜션은 타이어를 어떠한 노면 상황에도 타이어를 노면에 밀착시켜주는 기능을 하는 것이다. 따라 서스펜션의 세팅 및 셋업에 따라서 타이어의 노면 밀착성이 달라진다. 서스펜션의 세팅이 단단하다는 것은 상하 진폭이 상대적으로 적고, 세팅이 무르다는 것은 상하진폭이 상대적으로 더 크다는 말로 각각 특징이 있다. 무른 서스펜션의 경우 불규칙한 노면을 주행하게 되면 현가상 부분이 위로 치솟았다고 하더라도 상하 변위인 진폭이 커서 높게 뜨더라도 바퀴가 땅에 닿도록 하여 접지력을 유지한다.[12] 서스펜션은 타이어의 압력에 따라 비례하기 때문에 고성능 서스펜션을 장착했어도 타이어의 종류, 공기압, 마모상태 등에 따라 노면 대응 및 홀딩 능력이 달라지게 된다. 압력이 증가하면 노면 충격을 그대로 서스펜션에 전달하여 휠의 상하 방향 스프링의 탄성이 증가해 도로의 굴곡이나 표면 상태에 대한 반응이 민감해진다. 반대로 압력을 낮추면 휠의 반응은 둔감해진다. 타이어 압력 조절만으로 서스펜션 스프링 특성을 변화 시킬 수 있다는 의미를 가진다.[13]
다운포스
다운포스는 코너링에서 빠른 속도를 내기 위하여 타이어가 노면과의 접지력을 유지하기 위해 원심력을 이길 수 있도록 도와주는 역할이다. 원리를 설명하면 비행기로 설명하자면 비행기를 띄우는 힘인 양력의 반대의 힘을 가하여 노면과 바퀴가 붙게 하는 것이다. 양력이 생기는 날개를 뒤집으면 중력 방향으로 힘이 작용하기 때문에 차체를 누르는 다운포스가 만들어진다. 이 다운포스는 낮은 차체로의 설계 말고 몇 개의 파츠를 통하여 능력을 키울 수 있는데, 리어윙을 달아서 자동차 뒤쪽의 다운포스를 만들어 주행 안정성을 높였다. 보통 고속으로 달릴 수 있는 양산형 스포츠카나 레이싱카를 보면 큼지막한 리어윙이 설치되어 있는 것을 볼 수 있으며, 베르누이의 원리를 이용하여 아래쪽을 볼록하게 하고 받음각을 줘서 바람을 받는 날개 아래쪽보다 평평하게 디자인되어 있다. 에어댐의 경우 공기가 차체 밑으로 들어가는 것을 막아 들어가진 못한 공기만큼 자동차 하부 쪽으로 흐르는 공기양이 희박해져 압력이 낮고 위쪽으로 공기가 더 흐르게 되면서 압력이 높아져 다운포스가 발생한다. 사이드 스커드도 비슷한 역할을 한다. 차체의 바닥 뒷부분을 높인 부분을 디퓨저라고 하는데 세로방향으로 나 있는 길은 공기가 흩어지지 않도록 해주기 위한 형태이다. 차량 하부의 공기흐름을 빠르게 순환시켜서 공기가 머무는 시간을 줄여 물체를 띄우는 양력을 최소화한다.[14]
각주
- ↑ 타이어뱅크, 〈타이어 접지력에 대해 알려드려요!〉, 《네이버 블로그》, 2017-04-28
- ↑ 2.0 2.1 〈(타이어 하이테크) F1 코너링 완성도, 타이어 접지력이 좌우〉, 《매일경제》, 2018-09-10
- ↑ 우르고니, 〈타이어 공기압 적정 범위 차종별〉, 《티스토리》, 2020-12-17
- ↑ 4.0 4.1 〈타이어와 접지력에 관한 오해와 진실!〉, 《쌍용자동차》, 2018-02-19
- ↑ 5.0 5.1 사냥꾼, 〈사냥꾼 리포트_타이어의 폭과 접지(컨택패치) 면적, 접지력의 관계 다시 보기〉, 《네이버 블로그》, 2017-04-05
- ↑ 쇠머리, 〈광폭타이어는 어째서 접지력이 좋을까? 간단한 타이어의 물리법칙 -1부-〉, 《네이버 블로그》, 2013-01-16
- ↑ 이럴 때 꿀팁, 〈(Special Theme) 마찰력과 타이어(Frictional Force & Tire)〉, 《금호타이어 블로그》, 2012-07-31
- ↑ 〈접지력〉, 《나무위키》
- ↑ 사냥꾼, 〈광폭타이어를 장착하면 접지면적이 더 넓어진다? not true!_사냥꾼 리포트〉, 《네이버 블로그》, 2018-01-11
- ↑ 탑리뷰, 〈(Fire 칼럼) 타이어를 공부하자 - 마찰력〉, 《네이버 블로그》, 2016-02-14
- ↑ 케미칼부문, 〈겨울에도 미끄러지지 않는 타이어의 과학원리〉, 《네이버 포스트》, 2020-12-09
- ↑ 사냥꾼, 〈사냥꾼 리포트_서스펜션 강도와 접지의 관계, 최선의 서스펜션 선택〉, 《네이버 블로그》, 2013-12-22
- ↑ 김정원, 〈(김남호 칼럼) 핸들링을 지배하는 필수 요소〉, 《gearbax》, 2018-09-21
- ↑ 오토포스트, 〈땅에 닿을 듯 낮게 붙은 자동차가 가지는 장단점 살펴보니〉, 《네이버 포스트》, 2019-01-24
참고자료
- 타이어뱅크, 〈타이어 접지력에 대해 알려드려요!〉, 《네이버 블로그》, 2017-04-28
- 〈(타이어 하이테크) F1 코너링 완성도, 타이어 접지력이 좌우〉, 《매일경제》, 2018-09-10
- 우르고니, 〈타이어 공기압 적정 범위 차종별〉, 《티스토리》, 2020-12-17
- 〈타이어와 접지력에 관한 오해와 진실!〉, 《쌍용자동차》, 2018-02-19
- 사냥꾼, 〈사냥꾼 리포트_타이어의 폭과 접지(컨택패치) 면적, 접지력의 관계 다시 보기〉, 《네이버 블로그》, 2017-04-05
- 쇠머리, 〈광폭타이어는 어째서 접지력이 좋을까? 간단한 타이어의 물리법칙 -1부-〉, 《네이버 블로그》, 2013-01-16
- 이럴 때 꿀팁, 〈(Special Theme) 마찰력과 타이어(Frictional Force & Tire)〉, 《금호타이어 블로그》, 2012-07-31
- 〈접지력〉, 《나무위키》
- 사냥꾼, 〈광폭타이어를 장착하면 접지면적이 더 넓어진다? not true!_사냥꾼 리포트〉, 《네이버 블로그》, 2018-01-11
- 탑리뷰, 〈(Fire 칼럼) 타이어를 공부하자 - 마찰력〉, 《네이버 블로그》, 2016-02-14
- 케미칼부문, 〈겨울에도 미끄러지지 않는 타이어의 과학원리〉, 《네이버 포스트》, 2020-12-09
- 사냥꾼, 〈사냥꾼 리포트_서스펜션 강도와 접지의 관계, 최선의 서스펜션 선택〉, 《네이버 블로그》, 2013-12-22
- 김정원, 〈(김남호 칼럼) 핸들링을 지배하는 필수 요소〉, 《gearbax》, 2018-09-21
- 오토포스트, 〈땅에 닿을 듯 낮게 붙은 자동차가 가지는 장단점 살펴보니〉, 《네이버 포스트》, 2019-01-24
같이 보기
