[레이싱] 다운포스. 까다로운 공기역학의 세계

자동차도 날아갈 수 있다고요?

레이싱카에 커다란 뒷날개가 달려있는 것을 보셨을 겁니다. 

리어윙 혹은 리어에어포일 이라 불리는 이 구조물은 날개형상을 하고 있는 자동차 부품입니다. 차량의 뒤쪽 – 더 정확히는 트렁크 후드 겠군요 – 에 부착되고, 비행기의 날개와 비슷한 역할을 담당합니다. 

다만 비행기와 달리 차를 바닥에 눌러주기 위해 달려있을 뿐입니다.

출처 : www.carguychronicles.com

 

원리는 쉽게 이해할 수 있습니다. 날개가 비행기를 띄우는 일을 담당하니 뒤집어 사용하면 차를 바닥에 강하게 눌려주는 거지요(다운포스). 문제는 ‘왜’와 ‘어떻게’ 그렇게 하냐 입니다.

 

출처 : www.stockcarscience.com 

다운포스를 생성시키는 이유는 타이어의 그립을 높이기 위해서 입니다. 

타이어가 노면에 더 강하게 붙는 것을 그립이 좋다고 표현하는데, 이때 빠른 코너링이 가능해 집니다. 원심력으로 인해 차가 기울어지며 불안한 상태가 되는데 이를 억누르는 힘이 바로 다운포스입니다.

 

출처 : rawautos.com

레이싱 경기를 떠올려 보시기 바랍니다. 거의 모든 추월 (오버테이크)는 코너에서 일어납니다. 차량의 성능이 비슷한 탓인데, 경쟁자를 따롤리려면 반드시 코너에서 승부를 노려야 합니다. 다운포스를 정복해야 경기를 지배하게 되지요.

양산차의 순정 리어 스포일러 역시 코너에서 주행 안정성을 높이기 위함입니다.

 

출처 : en.academic.ru

다운포스를 만드는 방법은 리어윙 이외에도 몇가지가 있습니다. 

특히 F1에서는 가장 다양한 방법이 시도되는데 프론트윙, 미드윙, 더블덱 디퓨저가 대표적인 부품들입니다. 날개를 아얘 리어가 아닌 프론트 혹은 바디에 장착해서 다운포스가 고루 생기도록 하는 거지요. 

출처 : claudiacoco.wordpress.com

특히 프론트윙의 경우 차량의 맨 앞에서 가장 먼저 접촉하기 때문에 효율이 높은 편입니다.  반면 리어윙은 프론트에서 이미 지저분해진 공기의 흐름을 이용하기 때문에 효율이 좋지 않습니다. 보다 큰 사이즈의 윙을 가지게 됩니다.

 

출처 : wonderfulengineering.com

출처 : thisisf1.com

에어포일의 사이즈가 나왔으니 잠시 항력 (Drag force) 이야기를 해야겠군요. 다운포스를 위해 달려있다고 해도 기본적으로 윙은 저항입니다. 아니 조금 더 확대한 관점으로 보죠. 다운포스 자체가 부하(Load) 입니다. 없는 편이 더 빠른 속도를 낼 수 있습니다. 

출처 : www.rfeda.es

이게 무슨 소리이냐 하면 다운포스는 차를 아래로 누르는 힘이기 때문에 무게로 작용한다는 이야기 입니다. 차가 무거워지면 속도가 잘 나올 수 없습니다.

 

윙 자체도 없는 편이 속도를 위해는 좋습니다. 아무리 매끄럽게 만든다 해도 차가 공기와 닿는 면적이 늘어서는 달리는데 좋을 수가 없습니다. 항력은 저항을 힘으로 표시하는 방법으로 없으면 없을수록 좋습니다. 

아래의 드래그 포스와 다운 포스의 공식을 한번 보세요.

 

드래그포스         

다운포스    

여기서 WS /A는 윙의 단면적, V /v는 속도이고 빨리 달릴수록, 면적이 클수록 다운포스가 크게 발생함을 알 수 있습니다. 비례해서 항력도 같이 증가하고요.

다운포스 자체는 차량의 무게를 늘립니다. 이를 위한 윙은 항력을 증가시킵니다. 따라서 윙이 크다고 반드시 좋은 게 아님을 알 수 있습니다. 프론트윙이 사이즈가 리어윙 보다 작은 이유도 여기서 찾을 수 있습니다.

 

크지도 않고 작지도 않은 적절한 디자인이라. 이게 생각보다 꽤 까다로운데요.

출처 : www.autoevolution.com

 

단순히 차량의 성능을 결정하는 문제가 아니라 사고의 위험이 있어서 입니다. 

기본적으로 차량 형상은 날개 모양을 하고 있습니다. 속도가 비행기 이륙속도만큼 나오면 날수도 있지요. 보잉 777의 이륙속도를 평균 150노트 시속 280km 정도로 보니 300km/h 이상을 내는 레이싱 카에서는 이런 문제가 언제든지 발생할 수 있습니다.

 

출처 : commons.wikimedia.org

가장 최근에 있었던 사고는 2008년 르망 시리즈, 몬차 서킷에서 있었습니다. Courage Oreca LC70 의 사고입니다. 서킷을 이탈한 차량이 충격에 의해 떠오르고 양력을 받아 날아가는 장면이 잘 보입니다. 1999년 르망 24h의 메르세데츠 벤츠의 CLR 사고도 유명하고요.

 

결국 에어로 다이나믹스에서는 두 조건 사이에서 최적의 설계를 할 수 밖에 없습니다. 다운포스를 죽여서 더 빨리 달리게 할 것이냐, 다운포스를 살려서 코너에서의 우위를 가져갈 것이냐. 

설계의 줄다리기에는 레이서의 생명이 담보로 잡혀있습니다.

출처 : www.nytimes.com

출처 : wallpaperup.com

이번 포스팅에서는 스포일러에 대해서만 다루었습니다만, 서두에 언급하였듯 다운포스를 만들어내는 장치가 윙 뿐만은 아닙니다.

 

한국지엠 팀블로그 - 멋진 차를 만들어 주는 에어로 다이내믹스의 세계

팩토리아이언 - F1에 달린 부스터와 가변날개

 

바디의 형상까지 다양한 기제들에 의해 만들어 집니다. 다만 종합적인 설게는 경험에서 출발하여 시뮬레이션 해석을 거친다는 점. 꽤나 까다롭고 예상치 못한 변수는 레이서를 위험에 빠트리기 까지 하는 중요한 부분이라는 결론.

 

출처 : autoentusiastas.blogspot.com

단순해 보이는 자동차의 리어 스포일러는 사실 에어로 다이나믹스의 핵심이라는 사실이 흥미로운데요. 알면 알수록 재미있는게 이쪽 세계가 아닐까 합니다.

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