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양력 (힘)
양력(揚力)은 고체와 유체 사이에 움직임이 있을 때 그 움직임에 수직인 방향으로 발생하는 힘이다. 양력은 주행하는 자동차에 작용하는 6개의 힘인 항력, 양력, 측력, 요잉모멘트, 롤링모멘트, 피칭모멘트 중 하나이다. 양력은 비행기나 새의 날개에 작용하여 하늘을 날 수 있게 하는 힘이다. 하지만 비행기에서는 도움이 되나 자동차에서는 차체가 위로 떠 바퀴와 지면과의 접지력이 떨어져 구동 성능과 조향 성능에 나쁜 영향을 미친다.[1]
베르누이의 원리
18세기 스위스의 과학자 다니엘 베르누이는 유체가 연속적으로 흐를 때 좁은 곳을 지나면 유속이 증가한다는 사실을 발견하고 연구한 결과, 유체의 속도와 압력의 관계 때문에 좁은 곳에서는 유속이 빨라진다는 것을 알아내었다. 베르누이의 원리는 물리적인 법칙이 아니라 에너지 보존이 유선을 따라 흐르는 유체에만 적용되는 것으로 비점성, 비압축성이라는 전제하에 이해를 해야 된다.[2] 유체의 속력이 향상하면 압력이 감소한다고 표현할 수 있는데, 이것은 에너지 보존 법칙의 결과이다. 비행기가 나는 현상도 이 원리로 설명할 수 있다. 날개 모양이 아래쪽보다 위쪽에서 조금 더 빠르게 스쳐 지나가게 되어 있다. 따라서 날개 아래쪽보다 위쪽의 압력이 더 작으므로 위 방향의 힘이 생겨난다. 또한 이 원리는 커브 공에도 적용할 수 있는데, B 지점은 상대적 유체 이동 속도가 A보다 더 빠르다. 따라서 B 지점의 압력이 낮아져 위 방향의 힘이 생김으로써 경로가 휘어진다.[3]
자동차 디자인
양력은 고체가 공기나 물 같은 유체 속에서 움직일 때 생기는 힘이며 비행기가 날 수 있게 도와주는 힘이기도 하다. 양력이 발생하는 이유는 비행기의 날개가 위쪽으로 부풀어있기 때문이다. 이러한 날개의 형태로 인해 날개의 위쪽을 지나는 공기의 속력이 빨라져서 위쪽의 압력이 약해지고 아래쪽은 강해진다. 이러한 압력 차에 때문에 양력이 발생한다. 자동차 디자인이 형상 저항을 줄이기 위해 유선형의 모양이 되면서 자동차에도 양력이 발생하기 시작했다. 자동차의 모양이 유선형에 가까워질수록 비행기 날개의 단면과 비슷해지기 때문이다. 자동차의 위쪽을 지나는 공기와 아래쪽을 지나는 공기의 속력 차가 생기면서 압력차이가 생기며 이렇게 발생하는 양력은 자동차에 악영향을 준다. 자동차가 양력을 받게 되면 바퀴와 지면이 접촉하는 면적이 작아져 앞으로 나가는 힘을 제대로 받지 못해서 조정성이 나빠진다. 또한 속력이 지나치게 빨라져 양력이 강해지면 차가 뒤집히는 경우도 발생한다. 스포츠카나 일반 승용차의 뒤편에 날개 모양의 스포일러가 달린 것을 볼 수 있다. 이 스포일러를 통해 양력을 줄일 수 있다. 스포일러의 모양은 비행기 날개와 비슷하지만 다른 점이 있다. 바로 부풀어있는 쪽이 아래쪽이라는 것인데, 비행기 날개를 뒤집어서 붙인 거로 생각할 수 있다. 스포일러에서 생기는 양력은 지면을 향하기 때문에 자동차의 모양 때문에 생기는 양력을 줄여주는 효과가 있다.[4]
자동차 업체들은 항력(드래그포스)을 최소화하고 부딪치는 공기를 부드럽게 흘려보내기 위해 차체를 유선형으로 제작한다. 고속주행이 중요한 스포츠카일수록 이 같은 경향은 더욱 뚜렷하다. 스포츠카들은 풍동 시설 속에서 수많은 기류 검사를 거쳐 공기를 송곳처럼 뚫고 나갈 수 있는 최적의 모양새를 갖추게 된다. 포뮬러 머신은 자동차 공기역학의 진수인데, 차체의 모양이 조금만 달라져도 기록이 천차만별로 달라질 수 있어 포뮬러 머신은 작은 부품까지 공기역학을 고려하여 제작한다. 하지만 무조건 공기 저항을 적게 받는 모양으로 설계되는 것은 아니다. 포뮬러 머신 차체 무게는 500kg 내외로 굉장히 가벼운 데다 최고 시속은 350km에 달해 자칫 양력에 의해 차량이 전복될 수 있다. 양력 때문에 차량이 들리면 타이어와 지면 사이에 접지력이 약해져 속력이 잘 나지 않을 수도 있기 때문에 포뮬러 머신 차체는 양력을 누르는 다운포스가 발생하도록 설계된다.[5]
다운포스
다운포스는 공기역학적으로 차의 보디를 노면 쪽으로 억압 하향하는 힘을 말한다. 다운포스가 증가함으로써 고속 안정성은 더욱 높아진다. 프런트에어림이나 리어 스포일러 등이 장치된 것은 다운포스에 의한 접지성을 향상하기 위한 것이다.[6] 속도와 다운포스는 서로 이류배반 관계이기 때문에 한쪽을 높이려면 다른 쪽이 손해를 보게 된다. 따라서 레이싱을 할 때 자동차들이 하늘로 솟아오르지 않겠지만 비슷한 문제들을 일으킨다. 차가 떠오르는 힘을 억제하는 것은 필수인데, 다운포스는 그 외에도 차를 더 빠르게 주행하는 데 필수적이다. 차가 가속을 하거나 코너링을 할 때는 일부 바퀴가 들리면서 그립 부족으로 코너링이 어려워진다. 다운포스를 높이려면 코너링에서도 공기의 힘으로 바퀴를 눌러주면서 안정적인 코너링을 이어갈 수 있다. 하지만 코너링은 안전에 긍정적인 효과만 있는 것은 아니며 오히려 더 큰 위험을 불러오기도 한다. 최고속도가 무려 394km에 달하는 미국의 나스카 레이스의 경우 속력이 훨씬 빠른 만큼 차가 공중에 떠오르는 사고가 더 빈번했다. 차가 이륙하는 원인 중 가장 큰 것은 지나치게 강한 다운포스 설계때문인데, 강한 다운포스는 평상시 차량을 아래로 누르는 힘을 크게 발생시키지만, 사고로 180도 스핀하면 이 힘이 반대로 작용하여 차를 이륙시키는 양력이 되기 때문이다. 차가 공중에 조금이라도 뜨면 브레이크는 전혀 작동할 수 없기 때문에 감속하지 못하고 차체 하부로 공기가 맞부딪치면서 본격적으로 이륙을 시작하게 된다. 따라서 F1을 포함한 모든 레이스에서는 다운포스를 일정 수준 이상으로 높일 수 없도록 제한하고 있다. 또한 1990년대 중반부터 나스타는 의무적으로 천장에 에어로다이내믹 부품인 루프 플랩을 달아야 한다. 달릴 때는 숨겨져 있다가 스핀하면 펼쳐지는 부품으로 단순한 장치이지만 차가 날아오르는 경우 속도를 낮출 수 있는 유일한 대비책이다. 더불어 다운포스를 일으키는 또 다른 방법은 그라운드 이펙트로, 차량 하부에 공기가 덜 유입되고 빠르게 흘러나가도록 설계하면 하부에 저기압이 발생하여 차량 바닥으로 끌어당기는 힘이다. 과거에는 경주용차에서 이건 효과를 노렸지만, 2018년을 기준으로 국내차를 비롯해 상당수 양산차들의 바닥 면에 매끈한 커버를 장착하는 등의 노력을 기울였다. 튜닝카를 보면 범퍼를 바닥에 가까이 붙이기 위해 노력하는 걸 확인할 수 있다. 하지만 양산차는 진입, 진출 각도를 확보해야 하므로 범퍼를 낮추는 데 한계가 있다. 범퍼가 지나치게 낮으면 주차장에 들어갈 때 범퍼가 닿는다는 얘기가 나오게 된다. 후륜구동으로 오버행이 짧은 차들은 범퍼가 조금 더 낮아도 진입 각이 꽤 확보된다는 장점이 있다. 또한 디자인이나 전륜구동이라서 상대적으로 오버행이 긴 차종들의 경우 범퍼 아래로 고무로 된 추가 부품을 장착하여 공기가 바닥으로 들어가는 양을 최소화하려는 노력을 볼 수 있다. 그라운드 이펙트를 극대화하기 위해 범퍼 하단에 빗자루 같은 형태의 부품을 장착한 차량도 있고 심지어 바닥에서 공기를 빨아들이는 차량도 있다. 바닥에서 공기를 빨아들여 하늘로 내뿜는 형태의 구조를 가졌던 L사의 F1 경주용차들은 엄청난 그라운드 이펙트를 자랑했지만, 주변 먼지를 다 일으킨다는 이유로 사용이 금지됐다. 최신 차종 중에서도 일부 슈퍼카들은 바닥에서 공기를 빨아들여 그라운드 이펙트를 높이도록 만들었다. 공기를 빨리 통과시키는 것 외에도 더 넓은 공간으로 넓어지게 만들면 더 큰 저기압을 일으킬 수 있음으로 그라운드 이펙트로 다운포스를 높이는 효과가 크다. 차체 바닥이 뒤로 갈수록 차츰 넓어지게 만들면 다운포스가 생기기 때문에 경주용차는 거의 모두 바닥의 공기를 위로 끌어올리는 디퓨저를 장착하고 있고 양산차는 상당수 차량에 디자인상 장착하는 경우가 많다. 경주용차 뒤쪽에 장착하는 날개는 여러 가지 역학을 하지만 공기를 위쪽으로 튕겨 보내는 역할이 가장 크다. 이러한 현상은 차가 땅에 붙도록 하는 힘을 만드는데, 작용 반작용 원리에 따라 가속의 반대 방향으로도 힘이 발생하여 고스란히 저항이 된다. 날개를 크게 만들고 다운포스를 높이면 반드시 공기저항이 커지는 만큼 최고속도가 떨어진다. 반대로 날개를 줄이면 속도를 빨라지지만, 다운포스가 부족하여 차가 불안정해진다. 따라서 현대적인 F1에서는 긴 직선 구간에서 날개를 작동 시켜 일시적으로 다운포스를 줄이는 장치이자 커다란 날개의 중간 구멍을 열어 날개 역할을 줄이는 디알에스가 허용된다.[7]
각주
- ↑ 월하, 〈자동차 공기역학 Automotive aerodynamic〉, 《홀스리스비이컬》, 2017-09-28
- ↑ e1312515, 〈양력 발생원리 (양력, 베르누이 원리, 베르누이 원리의 오류, 받음각과 양력, 배면비행 시 양력의 발생, 헬리콥터의 양력)〉, 《레포트월드》, 2014-11-15
- ↑ 〈베르누이의 원리〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 김태현 기자, 〈자동차 디자인에 숨은 공기역학〉, 《서울시립대신문》, 2011-03-14
- ↑ 양종석 기자, 〈(카&테크) 공기와 싸우는 자동차 기술〉, 《전자신문》, 2015-09-03
- ↑ 〈다운 포스〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 한국교통안전공단, 〈에어로다이나믹의 기초 - 다운포스가 함께 하기를〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-28
참고자료
- 월하, 〈자동차 공기역학 Automotive aerodynamic〉, 《홀스리스비이컬》, 2017-09-28
- e1312515, 〈양력 발생원리 (양력, 베르누이 원리, 베르누이 원리의 오류, 받음각과 양력, 배면비행 시 양력의 발생, 헬리콥터의 양력)〉, 《레포트월드》, 2014-11-15
- 〈베르누이의 원리〉, 《네이버 지식백과》
- 김태현 기자, 〈자동차 디자인에 숨은 공기역학〉, 《서울시립대신문》, 2011-03-14
- 양종석 기자, 〈(카&테크) 공기와 싸우는 자동차 기술〉, 《전자신문》, 2015-09-03
- 〈다운 포스〉, 《네이버 지식백과》
- 한국교통안전공단, 〈에어로다이나믹의 기초 - 다운포스가 함께 하기를〉, 《네이버 블로그》, 2018-09-28
같이 보기
