공기가 일상에 미치는 영향 (1) “공기 저항과의 끊임없는 싸움”
- 기술 / 문광주 기자 / 2021-10-23 20:54:02
3'50" 읽기
- 공기 저항은 시속 60km 이상에서 가장 중요, 고속도로에서 전체 주행 저항의 70%는 공기
- 자동차 개발 초기, 당시 마차와 매우 유사했을 때 항력 계수는 0.8에서 1 사이
- 1970년대의 석유 위기 이후 연료 소비 절감위해 차체 모양을 최적화 노력
- F-1 레이싱 카는 비슷한 속도 범위에서 움직이지만 1.2라는 놀라운 저항력 계수 지녀
자동차는 가능한 공기에 영향을 주지 않으려고 하고 풍력 터빈은 가능한 한 많은 에너지를 교환하려고 한다. 비행기는 중력에 저항하기 위해 공기 에너지를 사용하고 고층 빌딩은 압력을 견뎌야 한다. 공기는 친구가 될 수도 있고 적이 될 수도 있다.
바람과의 물리적 상호 작용은 특히 엔지니어에게 큰 도전 과제이지만 창의적인 솔루션이 많이 있다. 자동차는 거의 공기 저항 없이 제작되었으며 고층 빌딩은 바람 에너지를 생성하기 위해 자체 축을 중심으로 회전하도록 설계되었다. 이러한 모든 발명품은 풍동에서 사전에 테스트되지만 결정적인 차이점이 있다.
자동차 및 경주용 자동차 “공기 저항과의 끊임없는 싸움”
자동차와 트럭에서 배출되는 CO2 배출량은 오늘날의 생태학적, 정치적 논쟁에서 중요한 요소다. 대체 드라이브 옵션과 보다 효율적인 엔진 외에도 자동차 제조업체는 연료 소비를 줄여 온실가스 배출을 감소시키기 위해 지난 수십 년 동안 공기역학에서 모델을 개선했다.
외곽에서는 공기 저항이 지배적이다.
도시 지역과 저속에서는 관성과 구름 저항이 자동차의 가장 큰 방해 요인이지만 공기 저항은 시속 60km 이상에서 가장 중요하다. 고속도로에서 전체 주행 저항의 70%는 공기 저항에서 비롯된다. 따라서 더 높은 속도를 효율적으로 달성하려면 이를 최소화하는 것이 중요하다.
공기의 밀도, 속도, 정면 면적 및 항력 계수 cW로부터 공기가 움직이는 차량에 얼마나 저항하는지 계산한다. 항력 계수는 차량의 공기 마찰과 주행 방향에 수직인 표면의 직접 저항으로 구성된다. 항력 계수는 종종 자동차의 공기역학적 항력에 대한 매개변수로 간주된다.
디자인에 의해 거부됨
자동차 개발 초기에 차량이 여전히 당시 마차와 매우 유사했을 때 항력 계수는 0.8에서 1 사이였다. 제2차 세계 대전 후 트렁크가 있는 노치백이 있는 최초의 "폰톤"몸체가 널리 보급됐다. 또한 펜더와 헤드라이트는 더 이상 독립형이 아니라 차체에 통합되었다. 이 설계 덕분에 항력 계수는 0.5를 약간 상회하는 수준으로 감소할 수 있다.
1970년대의 석유 위기로 인해 개발이 크게 촉진됐으며, 이로 인해 제조업체는 자동차 연료 소비를 처리하고 절감해야 했다. 차체 모양을 최적화함으로써 오늘날 대부분 승용차의 항력 계수는 약 0.3이다. 예를 들어 VW는 약 0.17의 항력 계수를 가진 XL1 모델을 개발했다.
이것은 무엇보다도 매우 평평하고 긴 차 후미 디자인으로 달성된다. 그 결과, 기류는 소용돌이 없이 차체를 우회한다. 차체의 모양이 완만하지 않고 갑작기 높아지는 디자인은 차량 뒤에 부압을 만들어 차량을 뒤로 잡아 끄는 힘을 만든다. 이것은 다른 차량들이 후류로 사용할 수 있다. 다시말해 뒤따라오는 차량이 저항을 작게 받을 수 있다는 의미다. 그러나 안전상의 이유로 추적자가 몇 미터 이내에 접근해야 하기 때문에 일반 도로 교통에서는 구현할 수 없다.
CW만으로는 부족
덧붙여서, 항력 계수 cW는 차량 모델의 공기역학적 항력을 정량적으로 평가하기에 충분하지 않다. 정면 영역, 즉 차량의 전면 영역도 중요하다. 이 면적과 항력 계수의 조합만이 주행 저항을 평가하는 좋은 기초가 된다. 예를 들어, SUV는 종종 소형차와 매우 유사한 항력 계수를 갖지만 전면 영역이 더 크기 때문에 전체 저항이 훨씬 더 높다.
공기역학은 연료 소비에 영향을 미칠 뿐만 아니라 차량의 최고 속도에도 직접적인 영향을 미친다. 약 0.3제곱미터의 저항 영역(전면 영역의 cW 곱하기)이 있는 덮개 없는 오토바이는 80hp로 시속 약 250km(km/h)에 도달할 수 있으며 완전히 덮힌 오토바이는 저항 영역이 더 작은 0.14평방미터로 오토바이가 320km/h까지 도달한다.
스포일러: 포뮬러 1 자동차는 유선형이 아니다.
포뮬러 1 자동차는 비슷한 속도 범위에서 움직이지만 매우 유선형으로 보이는 자동차는 1.2라는 놀라운 항력 계수를 가지고 있다. 이는 주로 프론트 및 리어 스포일러가 다운포스(누르는 힘)를 생성하고 차량을 도로로 밀어내기 때문이다. 이 "다운포스"가 없으면 드라이버와 볼라이드는 엄청난 속도로 이륙할 것이다. 좁은 굴곡에서 레이싱 카는 높은 그립으로 인해 더 쉽게 움직일 수 있다.
높은 저항력 계수는 Formula 1 운전자가 차량을 더 잘 제어하는 데 도움이 되지만 필요악이다. 매우 작은 전면 영역과 경우에 따라 1,000hp가 넘는 경우에도 여전히 자동차를 최고 속도까지 끌어 올린다.
2011년부터 경주용 자동차의 공기역학적 항력은 특정 경주 상황에서 변경되는 것이 허용되었다. 지정된 구간을 추월할 때 운전자는 "저항력 감소 시스템"을 활성화할 수 있다. 이는 리어 윙(뒷 날개)의 위치를 변경해 생성하는 다운포스를 감소시킨다. 공기 저항이 감소하면 자동차가 더 빨라지고 운전자가 경쟁자를 추월하기가 더 쉬워진다. (계속)
- 공기 저항은 시속 60km 이상에서 가장 중요, 고속도로에서 전체 주행 저항의 70%는 공기
- 자동차 개발 초기, 당시 마차와 매우 유사했을 때 항력 계수는 0.8에서 1 사이
- 1970년대의 석유 위기 이후 연료 소비 절감위해 차체 모양을 최적화 노력
- F-1 레이싱 카는 비슷한 속도 범위에서 움직이지만 1.2라는 놀라운 저항력 계수 지녀
공기역학, 공기가 일상생활에 미치는 영향
고층 빌딩, 자동차 또는 비행기 등 모든 것은 물리학의 특정 분야인 공기역학으로 결정적인 영향을 받는다. 이것은 물체가 공기와 상호 작용하는 정도와 방식을 결정한다. 상호 작용이 필요한지 정도는 적용 영역에 따라 다르다.
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| ▲ 공기 역학 효과 NASA Langley Research Center (NASA-LaRC), Edited by Fir0002 |
자동차는 가능한 공기에 영향을 주지 않으려고 하고 풍력 터빈은 가능한 한 많은 에너지를 교환하려고 한다. 비행기는 중력에 저항하기 위해 공기 에너지를 사용하고 고층 빌딩은 압력을 견뎌야 한다. 공기는 친구가 될 수도 있고 적이 될 수도 있다.
바람과의 물리적 상호 작용은 특히 엔지니어에게 큰 도전 과제이지만 창의적인 솔루션이 많이 있다. 자동차는 거의 공기 저항 없이 제작되었으며 고층 빌딩은 바람 에너지를 생성하기 위해 자체 축을 중심으로 회전하도록 설계되었다. 이러한 모든 발명품은 풍동에서 사전에 테스트되지만 결정적인 차이점이 있다.
자동차 및 경주용 자동차 “공기 저항과의 끊임없는 싸움”
자동차와 트럭에서 배출되는 CO2 배출량은 오늘날의 생태학적, 정치적 논쟁에서 중요한 요소다. 대체 드라이브 옵션과 보다 효율적인 엔진 외에도 자동차 제조업체는 연료 소비를 줄여 온실가스 배출을 감소시키기 위해 지난 수십 년 동안 공기역학에서 모델을 개선했다.
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| ▲ Ford Model T의 저항력 계수는 약 0.9였다. © ModelITMitch / CC-by-sa 4.0 |
외곽에서는 공기 저항이 지배적이다.
도시 지역과 저속에서는 관성과 구름 저항이 자동차의 가장 큰 방해 요인이지만 공기 저항은 시속 60km 이상에서 가장 중요하다. 고속도로에서 전체 주행 저항의 70%는 공기 저항에서 비롯된다. 따라서 더 높은 속도를 효율적으로 달성하려면 이를 최소화하는 것이 중요하다.
공기의 밀도, 속도, 정면 면적 및 항력 계수 cW로부터 공기가 움직이는 차량에 얼마나 저항하는지 계산한다. 항력 계수는 차량의 공기 마찰과 주행 방향에 수직인 표면의 직접 저항으로 구성된다. 항력 계수는 종종 자동차의 공기역학적 항력에 대한 매개변수로 간주된다.
디자인에 의해 거부됨
자동차 개발 초기에 차량이 여전히 당시 마차와 매우 유사했을 때 항력 계수는 0.8에서 1 사이였다. 제2차 세계 대전 후 트렁크가 있는 노치백이 있는 최초의 "폰톤"몸체가 널리 보급됐다. 또한 펜더와 헤드라이트는 더 이상 독립형이 아니라 차체에 통합되었다. 이 설계 덕분에 항력 계수는 0.5를 약간 상회하는 수준으로 감소할 수 있다.
1970년대의 석유 위기로 인해 개발이 크게 촉진됐으며, 이로 인해 제조업체는 자동차 연료 소비를 처리하고 절감해야 했다. 차체 모양을 최적화함으로써 오늘날 대부분 승용차의 항력 계수는 약 0.3이다. 예를 들어 VW는 약 0.17의 항력 계수를 가진 XL1 모델을 개발했다.
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| ▲ 200대 생산: 항력 계수가 0.186인 VW의 XL1. © Travelarz / CC-by-sa 3.0 |
이것은 무엇보다도 매우 평평하고 긴 차 후미 디자인으로 달성된다. 그 결과, 기류는 소용돌이 없이 차체를 우회한다. 차체의 모양이 완만하지 않고 갑작기 높아지는 디자인은 차량 뒤에 부압을 만들어 차량을 뒤로 잡아 끄는 힘을 만든다. 이것은 다른 차량들이 후류로 사용할 수 있다. 다시말해 뒤따라오는 차량이 저항을 작게 받을 수 있다는 의미다. 그러나 안전상의 이유로 추적자가 몇 미터 이내에 접근해야 하기 때문에 일반 도로 교통에서는 구현할 수 없다.
CW만으로는 부족
덧붙여서, 항력 계수 cW는 차량 모델의 공기역학적 항력을 정량적으로 평가하기에 충분하지 않다. 정면 영역, 즉 차량의 전면 영역도 중요하다. 이 면적과 항력 계수의 조합만이 주행 저항을 평가하는 좋은 기초가 된다. 예를 들어, SUV는 종종 소형차와 매우 유사한 항력 계수를 갖지만 전면 영역이 더 크기 때문에 전체 저항이 훨씬 더 높다.
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| ▲ 날개를 지나가는 공기 흐름. 이 비압축성 흐름은 오일러 방정식을 충족한다. 현대의 차체는 가능한 한 소용돌이가 발생하지 않도록 기류를 전환하려고 한다. |
공기역학은 연료 소비에 영향을 미칠 뿐만 아니라 차량의 최고 속도에도 직접적인 영향을 미친다. 약 0.3제곱미터의 저항 영역(전면 영역의 cW 곱하기)이 있는 덮개 없는 오토바이는 80hp로 시속 약 250km(km/h)에 도달할 수 있으며 완전히 덮힌 오토바이는 저항 영역이 더 작은 0.14평방미터로 오토바이가 320km/h까지 도달한다.
스포일러: 포뮬러 1 자동차는 유선형이 아니다.
포뮬러 1 자동차는 비슷한 속도 범위에서 움직이지만 매우 유선형으로 보이는 자동차는 1.2라는 놀라운 항력 계수를 가지고 있다. 이는 주로 프론트 및 리어 스포일러가 다운포스(누르는 힘)를 생성하고 차량을 도로로 밀어내기 때문이다. 이 "다운포스"가 없으면 드라이버와 볼라이드는 엄청난 속도로 이륙할 것이다. 좁은 굴곡에서 레이싱 카는 높은 그립으로 인해 더 쉽게 움직일 수 있다.
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| ▲ F-1. 2015년 말레이시아 그랑프리의 레이싱 장면 |
높은 저항력 계수는 Formula 1 운전자가 차량을 더 잘 제어하는 데 도움이 되지만 필요악이다. 매우 작은 전면 영역과 경우에 따라 1,000hp가 넘는 경우에도 여전히 자동차를 최고 속도까지 끌어 올린다.
2011년부터 경주용 자동차의 공기역학적 항력은 특정 경주 상황에서 변경되는 것이 허용되었다. 지정된 구간을 추월할 때 운전자는 "저항력 감소 시스템"을 활성화할 수 있다. 이는 리어 윙(뒷 날개)의 위치를 변경해 생성하는 다운포스를 감소시킨다. 공기 저항이 감소하면 자동차가 더 빨라지고 운전자가 경쟁자를 추월하기가 더 쉬워진다. (계속)
[더사이언스플러스=문광주 기자]
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