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자동차 날개의 비밀, 에어로다이나믹스

길을 가다 뒤에 날개 같은 무언가를 달고 다니는 차들을 본 적이 있을 것입니다. 뒤에 날개가 달린 자동차들을 보면 뭔가 멋져보이기도 합니다. 하지만 이런 날개가 단순히 멋을 위한 것일까요? 이 날개의 정체는 무엇이며 도대체 왜 다는 것인지 알아봅시다.


[그림 1]

[그림 2]

에어로다이나믹스(Aerodynamics)

날개를 다는 이유는 에어로다이나믹스와 연관이 있습니다. 에어로다이나믹스, 즉 공기역학은 움직이는 물체와 공기가 상호작용 할때의 공기의 흐름을 다루는 학문입니다. 에어로다이나믹스는 자동차, 비행기, 우주선 등 이동수단 뿐만아니라 축구공, 야구공, 골프공 등 스포츠까지 우리 일상 속 수많은 분야에 에어로다믹스가 적용되고 있습니다.


[그림 3] 자동차 표면의 공기흐름

스포일러(Spoiler)

[그림 4] 스포일러의 효과

먼저 스포일러에 대해 알아보겠습니다. 스포일러(spoiler)라는 말은 아마 책이나 영화 등의 스토리를 아직 모르는 사람에게 그 결말을 말해버리며 그 사람이 작품을 통해 받는 감동을 망쳐버리는(spoil) 사람을 뜻하는 말로 쓰이죠. 자동차의 스포일러도 비슷한 의미입니다. 자동차 뒤쪽 공기의 흐름을 망쳐버리는 것입니다. 공기의 흐름을 왜 망치냐고요? 자동차가 빠르게 달릴 때 자동차 뒤쪽에서 생기는 유동박리(flow seperation)현상 때문입니다. 유동박리 현상은 자동차 표면을 따라 흐르던 공기가 운동량을 잃고 떨어져 나가는 현상입니다. 자동차 뒷부분에서 유동박리가 일어나면 자동차의 뒤쪽 표면에서는 와류(vortex)가 발생하여 공기가 자동차를 앞으로 밀어주는 압력이 감소합니다. 결과적으로 자동차가 받는 공기저항이 커지는 것이죠. 스포일러는 이런 유동박리현상이 일어나지 않게 하기 위해 자동차 표면에서 공기의 흐름을 망치는 것입니다. 이 유동박리 현상을 억제하는 장치가 또 있습니다. 자동차를 자세히 관찰해보면 지붕 뒤쪽에 돌기 같은 무언가가 달려있는 것을 볼 수 있습니다. 그 것 또한 유동박리를 지연시키기 위해 와류를 발생시키는 와류 발생기입니다. 와류발생기는 인공적으로 와류를 발생시켜 유동박리로 인해 생기는 와류를 억제시킬 수 있습니다. 이러한 와류발생기의 원리는 자동차 뿐만아니라 비행기에도 적용이 됩니다. 비행기의 날개에 설치된 와류발생기는 양력이 급격히 감소하는 실속(stall)현상을 완화줍니다. 또 골프공 표면의 구멍인 딤플(dimple) 또한 와류발생기와 동일하 역할을 합니다. 박리지연을 통해 골프공이 멀리 날아갈 수 있도록 도와주는 것이죠.


[그림 5] 골프공 표면의 공기흐름

윙(Wing)
[그림 6] 윙(Wing)

이제 진정한 자동차의 날개에 대해 알아봅시다. 윙(Wing)은 F1레이싱카, 스포츠카 등에서 쉽게 볼 수 있습니다. 자동차의 윙은 이름처럼 비행기의 날개와 똑같다고 볼 수 있습니다. 하지만 비행기 날개를 뒤집어서 달았다는 점에서 차이가 있습니다. 비행기는 날개를 통해 위쪽으로 양력을 받아야하지만 자동차는 아래로 누르는 힘인 다운포스를 받아야합니다. 빠르게 달리고 있는 자동차에서 윗쪽과 아래쪽 공기의 압력차로 인해 자동차가 뜰 수 있는데 자동차가 뜨게 된다면 긴급제동을 하거나 코너링을 할 때 매우 위험한 사고로 이어질 수 있습니다. 이런 사고를 방지하기 위해서는 자동차가 아스팔트에서 떨어지지 않고 딱 붙어있어야하는데 이 때 자동차의 접지력을 높여주는 요인 중 하나가 다운포스입니다. 자동차 뒤에 붙어있는 윙은 바로 이 다운포스를 높여주는 것입니다. 윙은 공기저항을 높여서 직선주행시에는 최고속도를 감소시키지만 다운포스로 인해 안전성과 빠른 코너탈출 등 얻는 것이 훨씬 많기 때문에 많은 레이싱카와 스포츠카들은 윙을 달고 있습니다.

[그림 7] 코너링을 하는 F1머신
그 외의 에어로파츠

윙과 스포일러 외에도 자동차에는 굉장히 많은 에어로파츠들이 있습니다. 먼저 전면의 접지력을 높여주는 프론트 스포일러 혹은 프론트 립(front lip), 엔진 냉각성능을 높이고 공기를 원활하게 배분하여 공기저항을 줄이는 에어인테이크(Air intake), 측면 공기흐름을 제어하는 사이드스커트(Side skirt), 차체하부 공기의 유속을 빠르게 하여 다운포스를 증가시키는 리어 디퓨저(Rear diffuser) 등이 있습니다.


[그림 8] Front lip

[그림 9] Air intake

[그림 10] Side skirt

[그림 11] Rear diffuser

에어로다이나믹스의 미래

프레임에서부터 엔진, 미션, 소프트웨어까지 자동차는 수많은 과학기술의 집합체입니다. 에어로다이나믹스는 그 중 하나를 차지하고 있죠. 하지만 전기차의 등장으로 엔진이나 미션에 대한 기술은 그 필요가 점차 줄어들고 있습니다. 반면 에어로다이나믹스는 자동차뿐만아나라 비행기, 우주선 등에 적용되며 과학기술의 발전과 함께 더욱 발전해나갈 것입니다. 에어로다이나믹스 미래가 기대됩니다.


[그림 12]

 

박재희 학생기자 | Physics | 지식더하기


참고자료

[1] https://www.cars.com

[2] https://en.wikipedia.org

[3] https://brunch.co.kr/@soycaffelatte/14

[4] http://www.astronomer.rocks


첨부 이미지 출처

[1] https://www.scuderiaalphatauri.com

[2] https://www.carscoops.com

[3] https://www.baanvelgen.com

[4] https://winnautosports.com

[5] https://stocktonpropeller.com

[6] https://www.carscoops.com

[7] https://www.presticebdt.com


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