camión의 공기역학 계수가 Fórmula 1보다 더 낫다는 사실을 알고 계셨나요?

네, 이 글의 제목은 맞습니다. 트럭의 공기역학 계수는 Fórmula 1보다 더 낫습니다. 그리고 여러분이 매일 운전하는 자동차의 계수도 마찬가지입니다. 공기역학의 기본 원리에 익숙하지 않은 분들에게는 놀랍게 들릴 수 있습니다. 하지만 이유가 있습니다. 믿기 어려우시겠지만, 생각보다 이해하기 쉽습니다.

트럭은 Fórmula 1보다 더 유리한 공기역학 계수를 가지지만, F1은 공기저항이 더 작습니다.

이를 이해하려면 먼저 몇 가지 핵심 개념을 알고, 공기저항과 공기역학 계수를 혼동하지 않아야 합니다. 대략적인 감을 잡기 위해 말씀드리면, 트럭의 공기역학 계수는 0.6~0.7 사이입니다. 다만 Tesla의 트럭처럼 예외도 있는데, 이 트럭은 놀랍게도 Cx 0.36이 발표되었습니다. 반면 Fórmula 1의 계수는 약 1 정도이고, 일반 양산 승용차는 보통 0.30 전후입니다. 이 공기역학 계수가 낮을수록 공기저항을 줄이는 데 유리합니다.

하지만 공기저항에는 다른 요소도 작용합니다. 여기가 핵심입니다. 트럭은 Fórmula 1보다 더 유리한 공기역학 계수를 가지지만, F1은 공기저항이 더 작습니다. 이제 더 자세히 살펴보겠습니다.

공기저항

공기저항은 물체(이 경우 자동차, 트럭 또는 Fórmula 1)가 공기 중을 이동할 때 그 움직임에 반대로 작용하는 힘입니다. 이 저항은 공식으로 계산되지만 외울 필요는 없습니다. 공기의 밀도, 물체의 전면 면적, 공기역학 계수, 그리고 공기에 대한 물체의 속도의 제곱을 곱한 값이라는 것만 알아두시면 됩니다.

우리는 물체들을 비교하고 있으므로 이 경우 공기의 밀도와 속도는 중요하지 않습니다. 물체의 최종 공기저항은 다른 요소들과 함께 공기역학 계수와 전면 면적에 의해 결정되며, 바람을 맞는 전면 면적에 의해 결정된다는 점만 기억하시면 됩니다. 이 두 요소에 정비례합니다.

공기역학 계수

한편 공기역학 계수는 공기저항 계수라고도 하며, 특정 표면과 관련된 무차원 수(즉, 측정 단위가 없음)로, 유체 매질(여기서는 공기) 속에서 물체가 움직일 때의 저항을, 공기 흐름을 완전히 멈출 수 있는 물체가 제공하는 저항과 비교하여 수치화한 것입니다.

공기가 수직으로 부딪히는 벽이나 담장의 공기역학 계수는 Cx=1입니다. 공기 흐름에 수직인 평판은 평판 뒤에서 발생하는 효과 때문에 Cx가 1.2 이상으로 이 수치를 넘어섭니다. 따라서 자동차의 공기역학에서는 후면부 설계가 매우 중요하며, 이 부분을 바꾸는 것만으로도 자동차마다 Cx가 달라질 수 있습니다.

앞서 말씀드린 것처럼, Cx가 낮을수록 공기저항 측면에서 유리합니다. 기하학적 물체의 공기역학 계수 예로는 구 0.47, 원뿔 0.50, 정육면체 1.05 등이 있습니다. 처음에 언급한 내용을 다시 떠올려 보면, 일반 양산 승용차의 공기역학 계수 Cx는 0.25~0.30 사이이고, 트럭은 약 0.7이며, 바퀴가 덮이지 않고 가변 윙이 있는 Fórmula 1은 Monza 같은 서킷에서 경주할 때는 0.7~0.8, Mónaco에서는 약 1.2까지 나올 수 있습니다!

이제 차량이 이동하는 X축 방향의 계수에만 집중해 보겠습니다. 다만 측면(Cy)과 수직(Cz) 공기역학 계수도 존재합니다. 직접적인 주제는 아니지만, F1은 윙 설정을 조정하여 Cx를 희생하고 높은 Cz를 얻는다(다운포스를 제공함)는 점은 알아두시면 좋습니다. 그래서 ‘빠른’ 서킷에서는 하중이 적은 것이 중요해 공기저항이 F1의 공기역학 성능에 더 큰 영향을 주고, 느린 서킷에서는 공기저항의 영향은 줄어들지만 차가 노면에 ‘붙어서’ 코너를 쉽게 통과하는 것이 중요합니다.

전면 면적

전면 면적은 이 방정식에서 가장 이해하기 쉬운 용어입니다. 물체가 전진하기 위해 밀어내야 하는 공기의 크기, 즉 정면에서 본 면적입니다. 자동차에서는 차체의 치수뿐만 아니라 사이드미러, 타이어 등도 포함됩니다.

승용차의 전면 면적은 약 2제곱미터 정도이고, Fórmula 1 단좌차는 약 1.4제곱미터입니다. 현대 트럭은 약 8~9제곱미터에 달합니다. 분명히 넓은 실내 공간을 확보하는 데 가장 효율적인 형태(트럭의 경우 박스형)는 전면 면적이 가장 커서 공기저항 측면에서는 가장 비효율적입니다.

공기역학을 개선하기 위해 트럭은 예를 들어 지붕에 디플렉터를 사용합니다. 이 디플렉터는 전면 면적을 바꾸지는 않지만 공기역학 계수는 개선합니다. Audi e-tron 같은 일반 자동차에서는 기존 사이드미러를 가상 사이드미러로 교체하여 두 가지 모두 개선합니다. 전면 면적이 줄고 Cx도 좋아집니다.

공기역학을 이야기할 때 또 다른 중요한 문제는 차량 후면부 설계입니다. 전면부만큼이나 중요한데, 공기가 차체의 앞부분을 따라 흐르다가 뒤쪽으로 빠르고 매끄럽게 빠져나가도록 해야 하며, 서로 다른 속도의 와류나 ‘층’이 생겨 공기역학을 해치지 않도록 해야 합니다. 다만 이 부분은 자세히 다루지 않겠습니다.

트럭, Fórmula 1 그리고 수학

이 세 가지 개념을 알고 나면 이 글의 주제를 해결하는 방정식을 훨씬 쉽게 이해할 수 있습니다. 물체의 Cx는 단면 전면 면적과 함께 고려하지 않으면 그 자체로는 많은 것을 알려주지 않습니다.

공기역학 계수가 같다면, 전면 면적이 큰 물체일수록 공기저항이 더 큽니다. 그래서 같은 출력의 승용차보다 SUV가 연료를 더 많이 소모합니다. Cx는 같을 수도 있지만 SUV는 전면 면적이 더 크기 때문입니다.

우리는 이미 Fórmula 1의 공기역학 계수가 트럭보다 실제로 더 불리하다는 것을 보았습니다. 그러나 공기저항은 더 작은데, 그 이유는 공기저항이 공기역학 계수(Cx)와 전면 면적(S)의 곱에 정비례하기 때문입니다. 이 곱을 SCx라고 하면, Fórmula 1의 SCx는 약 1.4~1.5 정도이고, 트럭의 SCx는 Fórmula 1보다 약 4배 큽니다. 공기역학 계수는 더 유리하지만 공기저항은 더 나쁩니다.

또 다른 흥미로운 문제는 속도 요소를 도입하는 것입니다. 기억하시겠지만, 공기저항은 공기 밀도, SCx, 그리고 속도의 제곱에 비례한다고 했습니다. 계산기를 사용하면 트럭이 최고 속도인 약 100km/h로 달릴 때와, Fórmula 1이 그 세 배 속도로 달릴 때 극복해야 하는 공기저항의 차이를 확인할 수 있습니다.

여기서 덧붙이자면, 공기저항, 속도, 출력 사이에도 알아두면 좋은 관계가 있습니다. 특정 공기저항을 극복하는 데 필요한 출력은 속도에 비례하는 것이 아니라 속도의 세제곱에 비례합니다. 그래서 공기역학이 ‘평범한’ 자동차는 150CV만으로도 시속 200km의 벽을 넘을 수 있지만, 공기역학을 바꾸지 않고 최고 속도를 두 배로 올리려면 출력을 6배 이상으로 늘려야 합니다. 하지만 그것은 또 다른 이야기이며, 새로운 글의 주제가 될 것입니다.