F1 기술이야기 (2) 에어로다이나믹 Part.2 : 다운포스와 날개

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1편) 차포에 안어울리는 F1 기술이야기 (1) 에어로다이나믹 Part.1

http://www.ppomppu.co.kr/zboard/view.php?id=car&no=233124

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1편이 예상 외로 핫게까지 가더군요. 핫게로 보내주신 여러분 감사합니다 (...)

차포는 거의 눈팅만 하는데 모터스포츠 글이 이렇게 인기있을줄은 몰랐네요.

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포스를 이용하면 머신을 들었다↗ 놨다↘ 들었다↗ 놨다↘ 할수 있어요.

출처 = http://comic.naver.com/bestChallenge/detail.nhn?titleId=428422&no=15 (사전에 허락받고 사용했습니다)

다운포스. F1에서 따지는 에어로다이나믹의 핵심이라고 볼수 있습니다.

이게 왜 중요한지는 지난 시간에 대략적으로 설명은 드렸습니다. 누구나 높은 다운포스와 낮은 드래그를 원하며, 다운포스는 타이어 그립과 연관이 있다고 말씀드렸었죠. 

더 많은 그립은 더 빠른 속도를 가능케 합니다. 직선속도도 직선속도지만, 특히 코너링이 빨라집니다.  

F1은 올해의 경우 19개 대회로 이루어져 있는데, 이중 대부분의 서킷은 다운포스가 많을수록 유리합니다.  특히 모나코, 싱가폴같은 시가지서킷은 다운포스에 목숨걸어야 하죠. (몬자같은 몇몇 서킷은 직선속도가 더 중요한 곳도 있긴 합니다.)

사실 F1용 차량이 직선에서 빠른건 일반적으로 생각하시는 만큼 중요하지 않습니다. 여러 안전문제와 기타 등등 규정상의 문제로, 올 시즌 F1차량의 경우 가장 빠른 속도는 잘해봐야 330km/h 정도입니다.  (참고로 F1을 통틀어서 최고기록은 몬토야가 기록한 374km/h)

부가티 베이론 슈퍼스포츠, 헤네시 베놈 이런 차량은 400km도 넘으니까 레이싱의 "정점"이라는 F1에서 330km는 빠른 속도라고 볼순 없죠. 중요한건 코너링입니다. F1 차량처럼 빠르게 코너를 돌아나갈수 있는 차는 없습니다. 당장 고속코너를 버틸수 있는 드라이버 자체도 많지 않구요.

위는 모나코 그랑프리가 열리는 모나코 시가지서킷의 레이아웃

아래는 모나코 그랑프리에 출전한 페라리의 펠리페 마사 선수의 리어윙. 저속코너가 많을뿐만 아니라 그립 자체를 찾기 어렵다는 특성때문에 모든 팀들은 극단적인 다운포스세팅으로 경기에 나가게 됩니다. 그래서 리어윙이 바짝 세워져 있어서 산탄데르 로고가 잘 보입니다.

유로피안 F3에서 뛰고 있으며 한국인중에는 가장 F1에 근접한 임채원선수.

선수들은 단순히 운전만 하는것이 아닙니다. 모든 F1 드라이버들은 목근육 트레이닝을 별도로 받는데,  목근육은 발달시키기 가장 힘든 근육일 뿐만 아니라 조금만 트레이닝을 받지 않으면 쉽게 퇴화되는 근육이기도 하죠. 몇몇 서킷의 경우 횡으로 최대 5G에 달하는 중력가속을 받게 되는데, 이 경우 헬멧과 머리의 무게가 단 7kg만 된다고 가정해도 목이 혼자서 35kg를 버텨야 하며, 이 때문에 몇몇 드라이버는 경기중 뇌진탕을 겪게 되는 경우도 간혹 있습니다. F1에서 일시적으로 은퇴했다가 다시 돌아오게 되는 드라이버는 대부분 가장 먼저 목근육부터 단련합니다.

그럼 이제 어디에서 다운포스를 얻느냐가 중요해지겠죠? 

가장 먼저 외형적으로 보실 부분은 프론트윙, 리어윙입니다. 프론트윙은 앞 타이어(조향축)의 그립, 리어윙은 뒷 타이어(구동축)의 그립에 직접적으로 영향을 줍니다. 즉, 프론트윙이 망가지면 코너링 자체가 힘들어집니다. 리어윙이 망가지면 속도가 안나오게 되구요. 실제 사례를 몇가지 들어보죠.

이번시즌 모나코에서 뒤에서 그로장이 들이받아 리어윙이 파손된 리카도. 

리어윙의 파손은 리어그립에 직접적인 영향을 줍니다. 그래서 리어윙은 파손정도가 일정 이상 되면 그냥 경기를 포기하는 경우가 대다수입니다. (규정상 경기중에 리어윙 교체는 불가능할 뿐더러, 교체에 시간이 많이 걸립니다)

이 윙들에 걸리는 다운포스의 양은 어마어마합니다. 이번시즌의 경우 F1 차량의 규정상 최소무게는642kg입니다. (일반적으로 이보다 가볍게 만들고 밸러스트로 앞뒤 밸런스를 맞춥니다) 하지만, 차량 자체의 무게와는 별도로 차량에 걸리는 다운포스의 총량은 약 2톤정도 입니다. 프론트윙에는 이중 대략 25%가 생성됩니다. 프론트윙과 리어윙을 합해서 대략 5~60%의 다운포스가 생성됩니다.

올해 말레이시아 그랑프리에서 페라리의 알론소 선수. 첫랩때 다른 차량과의 접촉으로 노즈의 일부가 파손된채 두번째 랩을 달리다 노즈가 프론트윙에 걸린 다운포스를 이기지 못하고 주저앉아서 파손되었고, 프론트윙이 차량 밑으로 들어갔습니다. 

올해 코리아그랑프리에서 메르세데스의 니코 로즈버그. 프론트윙에 걸린 다운포스를 이기지 못하고 노즈가 꺾였습니다.

프론트윙에 100kg, 리어윙에 140kg, 나머지 160kg는 어디서 나올까요?

바로 차체 하부입니다. (Floor라고 합니다) 

여기에서 차량에 걸리는 다운포스의 대부분이 나오죠. 많은 스포츠카들의 차체가 낮게 설정된 이유가 여기에 있습니다. 

차체 하단이 뭐가 어떻길래 다운포스가 생성되는지에 대한 자세한 이야기는 다음편에 따로 올리도록 하죠. (설명이 깁니다.) 

역사적으로 볼때 다운포스라는 개념이 처음부터 사용되었던건 아닙니다. 극초기에는 공기저항을 줄이는데 초점을 맞췄죠. 흔히 담배형이라고 말하는 섀시를 사용했습니다. 

혼다가 69년 처음 F1에 진출할때 차량. 샤시를 보시면 ‘담배형’으로 길쭉하게 된것을 알수 있습니다. 

초기 F1에는 다운포스라는 개념 자체도 없었을 뿐더러, 모든 팀의 그립은 항상 부족했습니다. 따라서, 뉘르부르크링같은(물론 GP스트레케가 아닌 노르트슐라이페 이야기입니다) 코너공략이 어려운 서킷에서는 거의 모든 코너를 드리프트로 돌기도 했죠. 그립이란 개념이 있긴 하지만 그렇게까지 중요하게 생각하진 않았고, 70년대 직전까지는 슬릭타이어 자체가 없었죠. 자전거 바퀴같은 튜브형 타이어였지. 물론 지금은 이렇지 않습니다. 타이어에 대한 얘기는 미루고 다운포스로 돌아가서, 다운포스를 위한 윙이 도입된건 빨라야 60년대 말입니다. 그나마도 모든 팀에서 단건 아니었구요. 하지만 70년대로 가면서는 서서히 윙이 본격적으로 도입되기 시작합니다.

영화 <러쉬 : 더 라이벌>의 한 장면. 프론트와 리어에 윙이 달린것이 보입니다. 영화의 배경은 1976년입니다. (아직 몇몇 극장에선 상영중입니다. 꼭 보세요!) 

오늘날까지 F1에서는 더욱 효율적으로 다운포스를 만들기 위해 수많은 노력이 이뤄져 왔습니다. 하위팀의 예산절감이라는 명목 하에 대대적으로 개정된 2009시즌 직전의 모습은 사슴뿔을 달고 있다고 놀림받기도 했죠.

하지만, 규정이 개정된 이후에도 각 팀은 규정 내에서 조금이라도 더 다운포스를 얻으려는 노력은 계속해서 이어졌습니다. 날개에 대해서는 예를 들자면 레드불의 플렉서블 윙이 있죠. F1의 규정상, 프론트윙은 일정 이상 휘면 안됩니다. 모든 차량은 퀄리파잉과 레이스가 끝날때마다 검차를 하게되는데, 이떄 프론트윙 끝에 일정 무게를 주고 이게 특정 길이 이상 내려앉을 경우에는 규정위반으로 실격처리했는데, 레드불은 이 범위 안에서 휘는 재질을 만들어서 다운포스를 만들었습니다. 즉, 고속에서 프론트윙이 약간 내려앉으면서 더 많은 다운포스를 만들게 한거죠. 

어쨋든, 각 팀의 노력은 내년에 바뀌는 에어로 다이나믹 규정에 대해서도 마찬가지로, 몇몇 팀들은 벌써 이번시즌을 포기하고 내년시즌을 준비하고 있습니다. 

일단, FIA는 어떻게든 다운포스를 줄이려고 노력합니다. 

왜? 라고 물으실지 모르겠지만, 이유는 명백합니다. 높은 다운포스는 더 빠른 코너링을 가능케 합니다. 하지만, 고속코너에서는 아주 작은 실수나 밸런스상 문제가 사고로 직결될수 있죠. 위험성이라는 문제때문에 속도를 느리게 하려는 노력은 비단 처음이 아니고 예전부터 계속 있어왔습니다. 자세한 이야기는 다음시간에 더 풀어가도록 하죠. 다음시간에는 다운포스에 대해 못한 이야기를 마저 하도록 하겠습니다.