F1카에 발생하는 항력(DRAG)의 종류

사진 : dalco.ch

오늘은 F1 에어로다이내믹을 얘기할때 결코 빼놓을수 없는 공기역학적 현상인 항력(Drag)에 대해서 살펴볼까 합니다. 코너공략속도를 중요하게 여기는 포뮬러1인지라 다운포스가 무엇보다 중요하다는것 쯤은 다들 아시겠지만 항력을 줄이는 문제 또한 이에 못지않게 중요한 과제중 하나겠지요. 오늘은 바로 항력에는 어떤 특성을 가진 것들이 있는지 그 종류에 대해서 살펴 보도록 하겠습니다.

사진 : totalsimulation.co.uk

항력은 F1과 기타 모터스포츠에서 보다 더 중요하게 다뤄지는 요소이긴 하지만 산업전반과 기타 스포츠분야에서도 요즘들어 더욱 중요하게 인식되는 공역학 특성이기도 합니다. 우리가 크게 인식하지는 않지만 자동차를 몰고 다닐때도 상당한 항력을 접하게 되고 이는 연비가 나빠지는 걸로 연결됩니다. 우리가 길을 걸을때 역시 뒷쪽엔 약간의 난류들이 나타나게 됩니다. 한마디로 공기중에 이동하는 모든 물체에는 항력이 존재한다 보시면 됩니다. 그럼 먼저 F1차량을 예로들어 각방향으로 가해지는 힘에 대해 알아볼 필요가 있을듯 하군요.

많이들 봐오신 종류의 그림일 것입니다. 

1. Thrust (추력, 推力) - 물체가 유체내에서 앞으로 진행하려는 힘, 파워유닛의 출력과 이를 전달받은 타이어의 그립력으로 차량이 앞으로 나아가려는 힘. 범주에 관성력 또한 반영됩니다.

2. Drag (항력, 抗力) - 물체가 유체 내에서 나아갈때 받는 저항력. 차량이 받는 공기저항과 뒤에 생기는 난류에 의한 진행방해요소

3. Lift Force (양력, 揚力) - 물체가 유체내에서 진행할때 위쪽을 향하는 힘, 차량의 구조상 생기는 약간의 부양력

4. Down Force (다운포스) - 물체가 유체내에서 진행할때 아래쪽으로 향하는 힘. 중력과 차량중량을 포함하며 공기역학적 설계에 의해 그 힘이 증가합니다

이밖에 코너가 많은 F1서킷의 운동특성상 사이드포스(Side Force)도 존재하지만 위에 열거한 정도만 알더라도 전체적인 에어로특성의 기본을 이해하는데 충분하리라 봅니다.

일반적으로 유체역학 또는 공기역학에서 정의하는 항력의 종류는 대략 7~8가지의 종류로 세분화 되어  있습니다만 저는 F1카에서 발생되는 항력들만 골라서 살펴보도록 하겠습니다. (설명하기에 적당한 그림들이 없어 한번 그려 봤습니다)

1. 마찰항력 (Friction Drag: 摩擦抗力)

부분적으로 압력의 차이는 있지만 F1카의 거의 전체에서 발생하는 항력, 전방의 공기흐름과 차량의 마찰로 인한 항력으로 당연히 속도의 손실이 나타납니다. 위그림에서 녹색부분이 가장 저항이 약한 부분이고 노란색이 중간 그리고 붉은색이 마찰항력이 가장 심한 곳이라 보면 되겠습니다. (아마 똑같진 않겠지만 비슷하기는 할겁니다^^)

2. 간섭항력 (Interference Drag: 干涉抗力)

차량의 진행을 가장 방해하는 요소인 간섭항력입니다. 거대한 타이어가 노출되어 있는 오픈휠의 특성상 타이어 뒤쪽의 난류(Turbulent Flow) 또한 상당하며 하부의 디퓨져 역시 많은 량의 난류들을 뒤쪽으로 발생시킵니다. 이밖에 노즈하부와 서스펜션, 미러, 카메라포드 역시 미세하지만 어느정도 공기흐름자국(Aero wake)들을 남깁니다

3. 형상항력 (Form Drag: 形象抗力)

특정한 형태를 가진 구조물에서 발생하는 항력으로 F1에선 포론트와 리어윙이 이에 해당하겠습니다. 이 형상항력은 큰범주로 보면 마찰항력에도 들고 간섭항력에도 들지만 F1에선 특징적인 파츠라 따로 해석할 필요가 있을듯 싶군요. 전체 다운포스량의 60%넘게 만들어내는 곳이라 간섭항력도 상당하지만 F1에선 과학적인 디자인을 동원해 항력을 줄이는 요소로 사용하고 있기도 합니다

4. 용기항력 (Ram Drag: 容器抗力)

에어인테이크 같은 용기모양을 한 공기흡입구에 걸리는 항력. 상단의 에어인테이크와 사이드포드 인테이크 그리고 네군데의 브레이크덕트 인렛등에서 발생하며 F1카에서 유일하게 양력(Lift Force)이 발생하는 곳이기도 합니다. 당연히 성능에 영향을 주지 않는 한도내에서 흡입면적을 줄이는 설계가 이뤄져야 하는곳입니다.

용기항력은 이외에도 노즈슬롯과 S-Duct 인렛 그리고 에어인테이크 옆 엑스트라인렛 등에서도 미세하게 발생합니다

사진 : totalsimulation.co.uk

앞서도 잠깐 언급했듯이 프론트와 리어윙을 다운포스 생성에만 이용하는걸 넘어 위그림에서 보듯이 각각의 파츠들이 마찰항력을 줄이고 간섭항력을 제어하는데 사용되는 Down Force Generator와 Drag Reduction Device를 겸하고 있다 봐야 할것입니다

GIF : f1technical.net

아름답기까지한 Y250와류는 프론트타이어후방쪽 정체된 난류들을 최대한 정리하여 뒤쪽으로 유도하며

GIF : f1technical.net

항공기의 경우처럼 날개끝 유도항력에 의해 발생할수 있는 거대한 소용돌이를 이렇게 미세하게 분리해 뽑아내어 후방난류들을 정리하는 리어윙의 에어로메카니즘. 결국 이 모든게 항력총량을 줄여 속도와 연비에 상당한 영향을 주기도 합니다. 

새로운 차량규정속에 치뤄지는 금년시즌엔 어느차량이 다운포스가 높다, 낮다로만 판단하는걸 넘어 어느차량이 타이트패키징에 성공해서 마찰저항이 낮은 편이고 또 어느차량은 파츠변화와 여러 와류발생기(Vortex Generator)를 동원해 난류를 줄이려는 노력을 하는지 눈여겨 보시는것도 F1의 재미를 배가시키는 요소가 될수 있으리라 봅니다

이런 포스팅을 어려워 하시는 분들도 있으시겠지만 평소에 이쪽에 관심있으신 분들도 게시리라 봅니다. 한없이 길어질수 있는 내용이지만 이런저런 사족들 안붙이고 최대한 짧게 설명한다고 했는데 어떤지 모르겠습니다. 당장 오늘부터 신차공개가 하루도 빠짐없이 이어지겠군요. 자료가 어느정도 되면 제가 분석글을 따로 올리겠지만 세부사진 없이 몇장의 컴퓨터3D 이미지만 발표한 경우는 일단 Haro님이 간략하게 전하는걸로 하고 테스트데이에 분석글을 올리는게 나을듯 보입니다.