생각하는 것은 불쾌하지만 시속 65마일(시속 104.6킬로미터)의 속도로 차를 벽돌 벽으로 몰아넣는다면 어떤 일이 벌어질지 상상해 보십시오. 금속이 비틀리고 찢어질 것입니다. 유리가 깨질 것입니다. 에어백은 당신을 보호하기 위해 터질 것입니다. 그러나 우리가 현대 자동차에 탑재한 모든 안전 기술의 발전에도 불구하고 이것은 멀리하기 힘든 사고가 될 것입니다. 자동차는 단순히 벽돌 벽을 통과하도록 설계되지 않았습니다.
그러나 자동차가 통과하도록 설계된 또 다른 유형의 "벽"이 있으며, 이는 고속으로 차량을 밀어내는 공기의 벽입니다.
우리 대부분은 공기나 바람을 벽으로 생각하지 않습니다. 저속과 외부 바람이 많이 불지 않는 날에는 공기가 차량과 상호 작용하는 방식을 알아차리기 어렵습니다. 그러나 고속에서 그리고 유난히 바람이 많이 부는 날에는 공기 저항이 (공기에 의해 움직이는 물체에 작용하는 힘 - 항력으로도 정의됨 )는 자동차가 가속, 처리 및 연비를 달성하는 방식에 엄청난 영향을 미칩니다.
여기에 공기역학의 과학이 작용합니다. 공기 역학 힘과 공기를 통한 물체의 움직임에 대한 연구입니다[출처:NASA]. 수십 년 동안 자동차는 공기 역학을 염두에 두고 설계되었으며 자동차 제조업체는 일상 주행에 미치는 영향을 줄이고 공기의 "벽"을 더 쉽게 뚫을 수 있도록 다양한 혁신을 내놓았습니다.
기본적으로 기류를 염두에 두고 자동차를 설계하면 가속이 덜 어렵고 공기의 벽을 통해 자동차를 밀어내기 위해 엔진이 거의 세게 일할 필요가 없기 때문에 더 나은 연비 수치를 달성할 수 있습니다.
엔지니어들은 이를 위한 여러 가지 방법을 개발했습니다. 예를 들어, 차량 외부의 보다 둥근 디자인과 모양은 공기가 가능한 한 최소한의 저항으로 차량 주위를 흐를 수 있도록 공기를 전달하도록 제작되었습니다. 일부 고성능 자동차에는 자동차 밑면을 통해 공기를 원활하게 이동시키는 부품이 있습니다. 스포일러도 포함되어 있습니다. -- 리어 윙이라고도 함 -- 공기가 자동차의 바퀴를 들어 올려 고속에서 불안정하게 만드는 것을 방지합니다. 나중에 읽게 되겠지만 자동차에서 볼 수 있는 대부분의 스포일러는 무엇보다 단순히 장식용입니다.
이 기사에서는 공기 역학 및 공기 저항의 물리학, 이러한 요소를 염두에 두고 자동차를 설계한 역사, 그리고 "친환경" 자동차를 향한 추세와 함께 이제 공기 역학이 그 어느 때보다 중요해진 방법을 살펴보겠습니다.
콘텐츠
공기역학이 자동차에 어떻게 적용되는지 살펴보기 전에 기본 개념을 이해할 수 있도록 간단한 물리학 복습 과정을 소개합니다.
물체가 대기를 통과할 때 물체를 둘러싸고 있는 공기를 밀어냅니다. 물체도 중력과 끌림을 받습니다. 드래그 고체 물체가 물이나 공기와 같은 유체 매체를 통해 이동할 때 생성됩니다. 끌기는 속도에 따라 증가합니다. 물체가 더 빨리 이동할수록 더 많은 끌기를 경험하게 됩니다.
우리는 뉴턴의 법칙에 설명된 요소를 사용하여 물체의 움직임을 측정합니다. 여기에는 질량, 속도, 무게, 외력 및 가속도가 포함됩니다.
드래그는 가속에 직접적인 영향을 미칩니다. 물체의 가속도(a)는 무게(W)에서 항력(D)을 뺀 값을 질량(m)으로 나눈 값입니다. 무게는 물체의 질량 곱하기 물체에 작용하는 중력의 힘이라는 것을 기억하십시오. 당신의 무게는 중력이 더 적기 때문에 달에서 변할 것이지만, 당신의 질량은 동일하게 유지됩니다. 더 간단히 말하면:
a =(W - D) / m
(출처:NASA)
물체가 가속됨에 따라 속도와 항력이 증가하여 결국 항력이 무게와 같아지는 지점까지 이르게 됩니다. 이 경우 더 이상 가속이 발생할 수 없습니다. 이 방정식의 대상이 자동차라고 가정해 보겠습니다. 즉, 자동차가 점점 더 빨라질수록 더 많은 공기가 자동차를 밀어내고 가속할 수 있는 범위를 제한하고 특정 속도로 제한합니다.
이 모든 것이 자동차 디자인에 어떻게 적용됩니까? 음, 중요한 숫자인 항력 계수를 알아내는 데 유용합니다. 이것은 물체가 공기 중에서 얼마나 쉽게 움직이는지를 결정하는 주요 요소 중 하나입니다. 항력 계수(Cd)는 항력(D)을 밀도(r)로 나눈 값에 속도(V)의 반을 곱하고 면적(A)을 제곱한 것과 같습니다. 가독성을 높이려면:
Cd =D / (A * .5 * r * V^2)
[출처:NASA]
현실적으로, 자동차 설계자가 공기역학적 의도를 지닌 자동차를 제작하는 경우 목표로 하는 항력 계수는 얼마입니까? 다음 페이지에서 알아보세요.
우리는 항력 계수(Cd)가 자동차와 같은 물체에 대한 공기 저항의 힘을 측정하는 수치라는 것을 배웠습니다. 이제 자동차가 도로를 따라 이동할 때 공기가 자동차를 미는 힘을 상상해 보십시오. 시속 70마일(시속 112.7킬로미터)에서는 시속 35마일(시속 56.3킬로미터)보다 4배 더 많은 힘이 차량에 작용합니다[출처:Elliott-Sink].
자동차의 공기역학적 능력은 차량의 항력 계수를 사용하여 측정됩니다. 기본적으로 Cd가 낮을수록 차는 더 공기역학적이며 공기의 벽을 밀면서 더 쉽게 이동할 수 있습니다.
몇 가지 Cd 번호를 살펴보겠습니다. 1970년대와 80년대의 박스형 구형 볼보 자동차를 기억하십니까? 오래된 볼보 960 세단은 0.36의 Cd를 달성합니다. 최신 Volvos는 훨씬 더 매끄럽고 곡선미가 있으며 S80 세단은 0.28의 Cd를 달성합니다[출처:Elliott-Sink]. 이것은 당신이 이미 추측할 수 있었던 것을 증명합니다. 더 부드럽고 유선형인 모양은 상자 모양의 모양보다 공기 역학적입니다. 정확히 왜 그런가요?
자연에서 가장 공기역학적인 것인 눈물방울을 봅시다. 눈물방울은 모든 면이 부드럽고 둥글며 위쪽에서 점점 가늘어집니다. 공기는 땅에 떨어질 때 주위를 부드럽게 흐릅니다. 자동차도 마찬가지입니다. 매끄럽고 둥근 표면은 공기가 차량 위로 흐르는 흐름을 허용하여 차체에 대한 공기의 "밀어내기"를 줄여줍니다.
오늘날 대부분의 자동차는 약 0.30의 Cd를 달성합니다. 더 크고, 더 많은 사람을 수용하고, 엔진 냉각을 돕기 위해 더 큰 그릴이 필요한 경우가 많은 SUV는 Cd가 0.30에서 .40 이상입니다. 의도적으로 박스형 디자인인 픽업 트럭은 일반적으로 약 0.40입니다[출처:Siuru].
많은 사람들이 Toyota Prius 하이브리드의 "독특한" 외관에 의문을 제기했지만, 그만한 이유가 있어 극도로 공기역학적인 모양을 가지고 있습니다. 다른 효율적인 특성 중에서 0.26의 Cd는 매우 높은 마일리지를 달성하는 데 도움이 됩니다. 실제로 자동차의 Cd를 0.01만 줄이면 연비가 갤런당 0.2마일(리터당 0.09km) 증가할 수 있습니다[출처:Siuru].
다음 페이지에서는 공기역학적 디자인의 역사를 살펴보겠습니다.
과학자들은 공기역학적 형태를 만드는 데 필요한 것이 무엇인지 오랫동안 알고 있었지만 이러한 원칙이 자동차 디자인에 적용되기까지는 시간이 걸렸습니다.
초기 자동차에는 공기 역학적 특성이 없었습니다. Ford의 획기적인 Model T를 살펴보십시오. 마차에서 말을 뺀 것처럼 보입니다. 실제로 매우 상자 같은 디자인입니다. 이 초기 자동차의 대부분은 상대적으로 느리기 때문에 공기 역학에 대해 걱정할 필요가 없었습니다. 그러나 1900년대 초반의 일부 레이싱 카에는 테이퍼링 및 공기 역학적 기능이 어느 정도 통합되었습니다.
1921년 독일 발명가 에드먼드 럼플러(Edmund Rumpler)는 "눈물방울 자동차"로 번역되는 Rumpler-Tropfenauto를 만들었습니다. 자연에서 가장 공기역학적인 형태인 눈물방울을 기반으로 한 이 제품은 Cd가 0.27에 불과했지만 독특한 외관은 대중의 눈에 띄지 않았습니다. 약 100개만 제작되었습니다[출처:Price].
미국 측에서는 1930년대에 Chrysler Airflow를 통해 공기역학적 디자인의 가장 큰 도약 중 하나였습니다. 날아다니는 새에서 영감을 받은 Airflow는 공기역학을 염두에 두고 설계된 최초의 자동차 중 하나였습니다. 몇 가지 독특한 건설 기술을 사용하고 거의 50-50의 무게 배분을 가졌음에도 불구하고(향상된 핸들링을 위해 앞 차축과 뒷 차축 사이에 동일한 무게 배분), 대공황 - 지친 대중은 결코 그 틀에 얽매이지 않는 외모와 사랑에 빠지지 않았습니다. 실패로 간주되었습니다. 그래도 유선형 디자인은 시대를 훨씬 앞서갔습니다.
1950년대와 60년대가 되면서 자동차 공기역학의 가장 큰 발전 중 일부는 경주에서 비롯되었습니다. 원래 엔지니어들은 유선형의 모양이 자동차의 속도를 높이고 고속에서 더 잘 핸들링하는 데 도움이 될 수 있다는 것을 알고 다양한 디자인을 실험했습니다. 그것은 결국 가능한 한 가장 공기역학적인 경주용 자동차를 만드는 매우 정밀한 과학으로 발전했습니다. 프론트 및 리어 스포일러, 삽 모양의 노즈, 에어로 키트는 공기 흐름을 자동차 상단으로 유지하고 프론트 및 리어 휠에 필요한 다운포스를 생성하기 위해 점점 더 보편화되었습니다[출처:Formula 1 Network].
소비자 측면에서 로터스(Lotus), 시트로엥(Citroën), 포르쉐(Porsche)와 같은 회사는 일부 매우 간소화된 디자인을 개발했지만 이들은 대부분 고성능 스포츠카에 적용되었으며 일반 운전자를 위한 일상용 차량이 아닙니다. 그것은 1980년대에 전례 없는 Cd가 0.30인 승용차 Audi 100과 함께 바뀌기 시작했습니다. 오늘날 거의 모든 자동차는 어떤 식으로든 공기역학을 염두에 두고 설계됩니다[출처:Edgar].
그 변화가 일어나는 데 무엇이 도움이 되었습니까? 정답은 풍동입니다. 다음 페이지에서는 풍동이 자동차 설계에 어떻게 중요하게 되었는지 살펴보겠습니다.
자동차의 공기역학적 효율성을 실시간으로 측정하기 위해 엔지니어들은 항공기 산업에서 도구인 풍동을 빌렸습니다.
본질적으로 풍동은 내부의 물체 위로 기류를 생성하는 팬이 있는 거대한 튜브입니다. 이것은 자동차, 비행기 또는 엔지니어가 공기 저항을 측정해야 하는 기타 모든 것이 될 수 있습니다. 터널 뒤의 방에서 엔지니어들은 공기가 물체와 상호 작용하는 방식, 다양한 표면에 기류가 흐르는 방식을 연구합니다.
내부의 자동차나 비행기는 절대 움직이지 않지만 팬은 실제 상황을 시뮬레이션하기 위해 다양한 속도로 바람을 생성합니다. 때때로 실제 자동차는 사용되지도 않습니다. 설계자는 종종 바람 저항을 측정하기 위해 차량의 정확한 축척 모델에 의존합니다. 바람이 터널의 자동차 위로 이동하면 컴퓨터가 항력 계수(Cd)를 계산하는 데 사용됩니다.
풍동은 실제로 새로운 것이 아닙니다. 그들은 많은 초기 항공기 시도에서 기류를 측정하기 위해 1800년대 후반부터 사용되었습니다. Wright 형제에게도 하나가 있었습니다. 제2차 세계 대전 후, 경쟁에서 우위를 점하려는 경주용 자동차 엔지니어들은 자동차의 공기역학적 장비의 효율성을 측정하기 위해 이를 사용하기 시작했습니다. 이 기술은 나중에 승용차와 트럭에 적용되었습니다.
그러나 최근 몇 년 동안 수백만 달러의 대형 풍동이 사용되는 빈도가 점점 줄어들고 있습니다. 컴퓨터 시뮬레이션은 자동차나 항공기의 공기역학을 측정하는 가장 좋은 방법으로 풍동을 대체하기 시작했습니다. 많은 경우에 풍동은 컴퓨터 시뮬레이션이 정확한지 확인하기 위해 대부분 호출됩니다[출처:Day].
많은 사람들은 자동차 후면에 스포일러를 추가하는 것이 더 공기역학적으로 만드는 좋은 방법이라고 생각합니다. 다음 섹션에서는 다양한 유형의 차량용 공기역학적 추가 기능을 살펴보고 성능 및 연비 향상에 대한 역할을 살펴보겠습니다.
공기 역학에는 드래그보다 더 많은 것이 있습니다. 리프트와 다운포스라는 다른 요소도 있습니다. 리프트 물체의 무게에 반대하여 물체를 공중으로 들어 올려 유지하는 힘입니다. 다운포스 양력의 반대말로 물체를 지면 방향으로 누르는 힘 [출처:NASA].
포뮬러 원 경주용 자동차의 항력 계수가 매우 낮다고 생각할 수도 있습니다. 슈퍼 공기역학 자동차가 더 빠르겠죠? 이 경우는 아닙니다. 일반적인 F1 자동차의 Cd는 약 0.70입니다.
이러한 유형의 경주용 자동차가 시속 200마일(시속 321.9km) 이상의 속도로 운전할 수 있지만 예상한 것만큼 공기역학적이지 않은 이유는 무엇입니까? 포뮬러 원 자동차는 가능한 한 많은 다운포스를 생성하도록 제작되었기 때문입니다. 그들이 여행하는 속도와 극도로 가벼운 무게로 이 자동차는 실제로 일부 속도에서 양력을 경험하기 시작합니다. 물리학은 비행기처럼 이륙하도록 합니다. 분명히 자동차는 하늘을 날도록 설계되지 않았으며 자동차가 하늘을 날 경우 치명적인 충돌을 의미할 수 있습니다. 그렇기 때문에 고속에서도 지면에 착지하기 위해서는 다운포스를 최대화해야 하며, 이는 높은 Cd가 필요하다는 것을 의미한다.
포뮬러 원 자동차는 차량의 전면과 후면에 장착된 날개 또는 스포일러를 사용하여 이를 달성합니다. 이 날개는 자동차를 지면으로 누르는 기류로 흐름을 전달합니다(다운포스로 더 잘 알려져 있음). 이것은 코너링 속도를 최대화하지만 자동차가 적절한 양의 직선 속도를 가질 수 있도록 리프트와 신중하게 균형을 이루어야 합니다[출처:Smith].
많은 양산 차량에는 다운포스를 생성하기 위한 공기역학적 애드온이 포함되어 있습니다. Nissan GT-R 슈퍼카는 외관으로 인해 자동차 언론에서 다소 비판을 받았지만 차체 전체는 공기를 차 위로 흐르게 하고 타원형 리어 스포일러를 통해 뒤로 흐르도록 설계되어 충분한 다운포스를 생성합니다. 페라리의 599 GTB Fiorano에는 공기를 뒤쪽으로 보내기 위해 설계된 플라잉 버트레스 B-필러가 있습니다. 이 B 필러는 공기 저항을 줄이는 데 도움이 됩니다[출처:Classic Driver].
그러나 Honda 및 Toyota 세단과 같은 일상적인 자동차에는 많은 스포일러와 날개가 있습니다. 그것들이 정말로 자동차에 공기역학적 이점을 더합니까? 어떤 경우에는 약간의 고속 안정성을 추가할 수 있습니다. 예를 들어, 원래의 Audi TT에는 후면 데크 리드에 스포일러가 없었지만 Audi는 둥근 몸체가 너무 많은 양력을 생성하고 몇 개의 난파선 [출처:Edgar]의 요인일 수 있는 것으로 밝혀진 후 하나를 추가했습니다.
그러나 대부분의 경우 일반 자동차 뒤에 큰 스포일러를 볼트로 고정하는 것은 성능, 속도 또는 핸들링에 전혀 도움이 되지 않습니다. 어떤 경우에는 더 많은 언더스티어를 만들거나 코너링을 꺼릴 수도 있습니다. 그러나 Honda Civic의 트렁크에서 거대한 스포일러가 멋지게 보인다고 생각한다면 다른 사람이 달리 말하지 못하게 하십시오.
자동차 공기역학 및 기타 관련 주제에 대한 자세한 내용을 보려면 다음 페이지로 이동하여 링크를 따라가십시오.
