D&K: Aerodynamic

1990년 이후 부터 에너지효율이 높은 차량에 대한 관심이 높아지면서 항공기에 적용되던 공기역학이 자동차에 본격적으로 적용되기 시작하였다. 이미 1930년 항공기에서 영감을 받은 유선형디자인이 등장 하였고 1950년대에 미국에서는 테일핀(스타일을 위한 차 뒤쪽에 날개형태의 장식)이 세계오일쇼크 이후 자동차 성능과 연비를 향상시키기 위해 고안 되기도 했다.

공기저항계수(cd)= 일반적으로 전후 방향으로 작용하는 차의 앞으로의 진행을 방해하는 힘을 계수로 표현한 것으로 cd 값은 0에서 1사이를 가지며 1일 때가 최대값이 된다. cd 값을 10% 만 낮춰도 연비는 2% 좋아진다고 한다.
스포츠카의 경우 cd를 무조건 낮게 만들려고 하지 않는다. 왜냐하면 공기저항이 생기더라도 얻어야만 하는 운동성능이 있기 때문이다. 대부분의 스포츠카를 설계할때 차체를 낮추고 트래드를 넓게 디자인 하는데 그 이유는 고속주행시에 코너링을 더 좋게 하기 위해서 이다. 그리고 경우에 따라서 공기저항을 더 받게 설계하는데 그 이유는 고속 주행시에 발생하는 공기의 흐름을 이용해 차를 아래로 누르는 다운포스를 만들어 더욱 안전하고 빠르게 코너링을 하기 위해서 이다. 그래서 Ferrari F50의 경우 리어 스포일러와 보네트를 이용해 다운포스를 얻은 결과 0.37cd의 공기 저항계수를 갖는다. 이는 공기역학적으로 설계된 SUV차량들과 비슷한 정도이다.(Porsche Cayenne= 0.36cd)

BMW New 520d= 0.25( 중형차중 가장 낮음)
Toyota Prius= 0.25

시속 60km/h이상의 속도부터 저항력이 높아지면서 차체 위의 공기는 빠르게 움직이며 압력이 낮고 차체 아래 공기는 느리게 움직이며 압력이 높아진다. 그래서 양력이 생기고 차체 뒤에 순간적으로 빈공간이 생기며 이 빈공간을 매우기위해 공기가 빠르게 유입 되면서 와류가 발생하게 된다. 이 때문에 차를 뒤로 잡아 당기는 항력이 생긴다. 그래서 차 뒤를 캄테일(급격히 끊어낸 모양)이 저항감소에 효과적이다.

항력=뒤로 잡아 당기는 힘
양력= 위로 뜨려는 힘
다운포스= 아래로 누르는 힘

차체가 무거우면 고속주행시에 안정성이 좋아지지만 가속과 감속이 느리고 원심력이 강해져 코너링에 좋지 않다. 반대로 차체가 가벼우면 타이어의 접지력이 약해지며 주행 성능이 약해진다.

다운포스를 만드는 법

- 베르누이의 원리
유체운동에대한 에너지 보존법칙
유체의 속력이 빨라질수록 압력은 감소한다.
형체가 동일한 물체가 공기를 가르면 좌우로 흐르는 공기는 같은 거리를 움직인다.

형상이 다른 물체- 한쪽공기가 더 많이 움직이게 되고, 유체의 흐름이 빨리진다.

-> 이 경우 위로 떠오르려는 양력이 생기게 되고 차동차의 경우에는 고속 주행시 불안정하게 된다.

그래서 이와는 반대로 자동차에서는 받음각을 사용 하는데 받음각이 클수록 항력이 증가하게 되 주행성이 좋아진다.

다운포스를 만드는 방법들

그라운드 이펙트 - 위그선에서 주로 쓰는 방법으로 차체에는 좀더 다른 방식으로 사용 한다. 위그선에서는 아래로 유입되는 공기를 이용해 수면에서 약간 떠서 공기의 저항력을 감소시켜 움직이지만 F1머신에서는 아래로 유입되는 공기를 최소화 하여 다운포스를 높혀 코너링을 빠르게 돌기 위해 도입 되었다.