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더 빠르게, 더 안정적으로! 자동차의 공기역학적 디자인의 의미

작성일2018.01.23

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작성자 : 김민환

자동차는 왜 유선형일까?


주변의 자동차들을 본 적이 있는가? 보통 유선형으로 하단부는 평평하고 상단부는 볼록한 모양을 하고 있다.

혹시 왜 이러한 디자인으로 만들어졌는지 궁금증을 가져본 적이 있는가? 많은 사람이 공기저항을 덜 받기 위해 물고기의 모양처럼 유선형으로 설계가 되었다고 알고 있을 것이다. 정답이다. 그렇다면 지금부터 유선형의 설계가 왜 중요하고 그 설계에 도움을 주는 장치들은 어떤 것이 있는지 알아보자.


유선형 설계의 필요성


▲ 다양한 형상에 대한 유동 가시화 실험
▲ 다양한 형상에 대한 유동 가시화 실험

위 4개의 사진은 형상에 따른 ‘유체의 흐름’을 보여주는 사진이다. 사각형, 반원형, 원형 그리고 유선형 모양으로 실험을 진행하였는데, 한눈에 보기에도 마지막 유선형 모양의 유선이 적은 변형을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이처럼 공기가 원래의 흐르던 모양으로 그대로 흐르지 못하고 변형이 일어나면 더욱 큰 저항을 받게 되고, 자동차의 연비가 떨어지게 된다. 자동차의 모양으로 비교를 하자면 사각형은 대형 버스나 트럭, 반원형은 해치백, 유선형은 세단으로 근사화할 수 있다. 따라서 동일한 성능과 무게를 가지는 자동차라면 세단의 연비가 해치백보다 좋게 된다.

공기의 저항을 크게 두 가지로 나누면 공기와 차체의 직접적인 마찰로 인한 ‘마찰 항력’과 차체 뒷부분의 적은 공기량으로 생기는 ‘압력 항력’이 있다. 즉 압력 항력은 고압의 전면부와 저압의 후면부의 압력 차이로 자동차의 진행 방향과 반대의 방해하는 힘이 생기는 것을 의미한다. 유선형의 실험을 제외하면 유체가 물체 뒤에서 불규칙한 형태를 띠는 것을 확인할 수 있는데 이것은 후류영역(Wake Zone)으로 이 영역이 줄어들면 압력 항력 또한 줄어든다. 마찰 항력은 디자인과 관계없이 자동차의 소재와 관련되지만, 압력 항력은 형상과 관련되기에 본 기사에서는 압력 항력의 영향만을 고려하여 설명하겠다.


왜 해치백 자동차 뒤에는 꼭 와이퍼가 달려있을까?


▲ SANTAFE
▲ SANTAFE


▲ 세단
▲ 세단

주변의 자동차들을 살펴보면 모든 차의 앞면에 와이퍼가 설치된 것을 확인할 수 있다. 하지만 자동차의 뒷면에도 와이퍼가 달린 자동차들이 있는데 그 차들의 공통점은 무엇일까? 바로 해치백이라는 것이다.

그럼 왜 해치백 뒤에만 꼭 와이퍼가 달린 것일까?

바로 앞서 설명한 공기역학적 설계와 관련이 있다. 앞선 사진으로 되돌아가 반원형의 실험이 해치백으로, 유선형의 실험이 세단으로 근사화될 수 있다는 것을 상기해보자. 유선형의 실험에서는 공기 흐름이 끊김이 없이 차체 겉 부분을 쓸고 가지만, 반원형의 실험에서는 뒷부분의 후류 영역(Wake Zone)의 발생으로 와류(Vortex)와 저압부가 생성되게 된다. 따라서 먼지를 머금고 있던 고속의 공기는 속도가 줄어들며 더 이상 먼지를 가지고 있지 못하고 차체 뒷부분에서 떨구게 된다. 따라서 해치백의 후방에는 자체적으로 먼지를 제거하지 못하여 와이퍼가 설치된 것이다.


이 뿔은 뭐지? 샤크핀 안테나




▲ 샤크핀 안테나
▲ 샤크핀 안테나

자동차의 뒷부분을 살펴보면 뿔같이 달린 장치가 있는데 혹시 본 적이 있는가?

단지 디자인의 요소이거나 안테나의 역할만을 하는 것이 아닌 뿔이 달려있다는 것 하나만으로 큰 연비개선을 얻을 수 있는 ‘Vortex Generator(소용돌이 생성기)’라는 장치다. Vortex는 와류로써 소용돌이를 뜻하는데 이 소용돌이의 생성으로 앞서 확인한 후류영역(Wake Zone)의 영역을 크게 감소시킬 수 있다. 이 Vortex Generator는 비행기의 날개에도 설치가 되어있는데 같은 원리로 항력을 줄이기 위해 설치가 되어있다.


날개가 달린 자동차?


▲스포일러가 달린 i30 N TCR (출처: HMG JOURNAL, https://goo.gl/qEdvVr)
▲스포일러가 달린 i30 N TCR (출처: HMG JOURNAL, https://goo.gl/qEdvVr)

경주용 자동차나 스포츠카 같은 차의 뒤에는 날개가 달린 것을 볼 수 있다. 단지 멋을 내기 위한 목적으로 설치가 된 것이라 생각하는 사람들이 많은데, 이 날개 또한 고속주행을 하는 자동차의 주행에 도움을 주는 역할을 한다. 앞서 자동차의 공기 저항을 줄이기 위해 유선형으로 설계를 한다고 하였는데 그 유선형 설계는 비행기 날개의 모양과 같은 것이다. 즉 양력을 받아 자동차가 하늘로 뜰 수 있다는 것인데 실제로 하늘을 나는 것은 아니지만 지면과의 접촉이 불확실하게 되어 운행 중 안정성을 크게 저하할 수 있다. 따라서 스포일러의 형태는 아랫면이 평평하고 윗면이 볼록한 날개를 거꾸로 뒤집어 놓은 모양을 하고 있다. 스포일러가 받는 양력은 하늘 쪽이 아닌 지면을 향하게 되어 자동차가 뜨지 않도록 도와준다.


마무리


▲ KONA
▲ KONA

지금까지 자동차의 공기역학적 설계에 관한 유선형 차체와 다양한 장치에 대해 알아보았다. 자동차를 실제로 주행하는 엔진의 역할도 중요하지만 그에 못지않게 차체의 형상도 고려가 되어야 한다는 것을 알게 되었을 것이다.

앞으로는 자동차의 성능뿐만 아니라 차의 디자인도 주의 깊게 살펴보는 것이 어떨까?


영현대기자단15기 김민환 | 경희대학교
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