Article 27 (Part 1). 자동차에 날개는 폼인가?

포르쉐 타이칸 터보 GT 패키지

 

 

F1 경주의 자동차나 르망24의 자동차들이 날개를 달고 달리는것을 본적이 있을것이다.

 

F1 BAR 007

르망24 쉐보레 콜벳 C6-R

 

자동차 경주 뿐만 아니라 도로에서 일반차량에도 날개가 달린 차들을 볼수 있다..

 

그러면 이러한 날개는 일명 뽀대? 아니면 진짜 날기위해서 다는것인가?

 

아니다. 자동차의 날개는 주행성능을 높이고, 자동차가 고속주행시 지면에서 떨어지는것을 방지하기 위해서이다. 즉 날지 않게 하기 위해서 다는것이다. 

 

날개를 날지 않게 하기 위해서 단다? 그럼 왜 달지? . 그리고 날개 외에 어떤것들이 있는지 하나하나 알아 가 보자. 

 

 

Part 1
1.자동차의 공기역학
2. 자동차의 양력
3. 자동차의 항력
  - 전두부 압력(Frontal Pressure)
  - 유동박리(Flow detachment), 유동분리(Flow seperation)
  - 후방 진공(Rear Vacuum)

Part 2
4. 자동차의 공기역학설계
  - 스포일러(Spoiler)
  - 리어 윙(Rear Wing)
  - 에어댐/프론트 스플리터(Air dam/Front Splitter)
  - 에어 커튼 ( Air curtain)
  - 디퓨져 (Diffuser)
  - 핀(Fin)

1. 자동차의 공기역학

 

공기역학은 움직이는 물체가 공기와 어떻게 상호작용하는지를 연구하는 학문으로 물체가 공기와 접촉할 때의 거동은 물체 위와 주변을 흐르는 공기에 의해 발생하는 힘을 결정한다.

 

우리는 앞 포스틍에서 비행기가 뜨는 원리에 대해서 공기역학관점에서 양력의 현상은 알고 있지만 누구나 동일한 물리적 해석이 없다는 논의를 하였다.

 

Article 26(Part1). 비행기가 나는 원리를 아직도 모른다고?

Article 26 (Part 1). 비행기가 나는 원리를 아직도 모른다고?

 

다만, 이번 포스팅에서는 날개윗면이 속도가 빨라서 저기압이 생기고 유선이 날개의 곡면을 따가야하만 하는 물리적 해석은 배제하고 현상적인 원리로만 이야기 해보자 

 

비행기와 마찬가지로 자동차를 운전하는 것은 끝없이 펼쳐진 공기의 바다를 헤엄치는 것과 같다. 그러나 과거에는 고속 자동차의 성능을 유지하기 위해 엔진의 마력과 오래가는 엔진에 의존했으나 1970년 석유파동으로 인해 에너지 효율에 대한 관심이 높아졌고 이후 차량의 에너지 효율을 향상시키기 위해 공기역학 개념을 적용하고 있다.  

 

자동차에서 공기역학은 연비와 직결되는 아주 중요한 요소 중 하나이다. 공기 저항으로 인한 연료 소비는 차량 에너지의 약 절반을 차지하기 때문에 공기 저항을 줄이기 위해서 차량 본체의 형상과 다양한 추가 장치의 장착을 통해 항력을 최소화하는 설계를 하고 있다. 특히 경주용 자동차의 성능에 크게 영향을 미치기도 한다.

 

Source: University of Edinburgh

 

 

2. 자동차의 양력(Lift)

 

자동차가 도로를 주행할 때, 차체 상부 표면을 따라 앞쪽에서 뒤쪽으로 흐르는 공기 흐름이 차체 하부를 따라 거의 직선으로 이동하는 공기 흐름보다 더 먼 거리를 이동해야 한다. 따라서, 직접적으로 느리게 이동하는 하부 공기 흐름과 간접적으로 빠르게 이동하는 상부 공기 흐름은 차체 하부에 상부보다 높은 압력을 발생시킨다. 이 부분은 Artcle 26 설명했듯이 베르누이 원리에 의해 동일시간에 만나야만 가능한 해석지만 실제로는 상부와 하부의 처음의 공기가 끝에서 동시에 만나지 않는다. 다만 물리적 해석은 간단하지 않지만 상부가 속도가 빠른것은 현상적으로는 맞는 상황이다.

 

 

 

아무튼 결과적으로, 자동차의 전체 형상과 날개의 형상을 비교해 보면 유사한 유체의 흐름에 의해서 상부와 하부 표면 사이에서 발생하는 수직 압력은 양력을 생성한다. 양력의 크기는 주로 차제 상부와 하부표면의 형상, 차체 하부와 지면 사이의 거리, 그리고 차량 속도에 따라 달라진다. 일반적으로 차체 하부가 지면에 가까울수록 양의 양력(상향력)이 커지며, 양의 양력은 차량 속도의 제곱에 반비례하는 경향이 있다.

 

이에 따라, 양력으로 인한 휠 하중 감소는 하향 하중을 상쇄하므로 타이어와 지면 사이의 접지력이 감소된다. 차량 앞뒤의 양력이 다르면 앞뒤 타이어가 만들어내는 슬립 각도가 달라지게 되어, 중립적인 조향 특성에 영향을 주게된다. 따라서 제어되지 않는 양력은 차량의 접지력을 저하시키고 조향 불안정성을 유발할 수 있다.

 

바닥면과 지면 사이의 간격이 주변 공기 속도, 압력 및 공기역학적 양력에 미치는 영향 [1]

 

 

3. 자동차의 항력(Drag)

 

자동차가 아무리 느리게 움직이더라도 공기 저항을 극복하려면 에너지가 필요하며 이 에너지는 항력이라고 불리는 힘을 이겨내는 데 사용된다.

자동차에서  항력은 주로 세 가지 힘으로 구성된다.

차량 본체가 공기를 밀어내는 전두부 압력과 차량 본체가 제거된 자리에 공기가 채워지지 않아 발생하는 후방 진공현상 및 
경계층, 즉 차량 표면에서 느리게 움직이는 공기에 의해 발생하는 마찰 효과의 세 가지 힘을 통해 공기 흐름과 차량 본체 사이의 대부분의 상호 작용을 일으킨다.

 

전두부 압력(Frontal Pressure)

 

수백만 개의 공기 분자가 자동차 앞쪽으로 다가오면서 압축되기 시작하고, 그 결과 자동차 앞쪽의 기압이 상승합니다. 동시에 자동차 측면을 따라 흐르는 공기 분자는 대기압 상태에 있으며, 이는 자동차 앞쪽의 분자보다 낮은 압력이다.
압축된 공기 분자는 차량 앞쪽의 고압 영역에서 빠져나가려는 자연스러운 경로를 찾으며, 그림과 같이 차량의 측면, 상단, 하단에서 그 경로를 찾게 된다.

 

전두부 압력(Frontal Pressure) [5]

 

 

유동박리(Flow detachment), 유동분리(Flow seperation)

 

차량이 지나간 자리를 메울 수 없는 이러한 현상을 기술적으로 유동 박리라고 한다.

 

[2]

유동 박리는 항력의 "후방 진공" 부분에만 적용되며 차량 속도가 증가함에 따라 그 부정적인 영향이 점점 더 커진다. 실제로 항력은 차량 속도의 제곱에 비례하여 증가하므로 차량 속도가 높아질수록 공기를 가르며 나아가기 위해 더 많은 마력이 필요하게 된다.

자동차 표면의 분리 기포 [4]

따라서 차량이 고속에 도달하면 공기 흐름 분리 영역을 최소화하도록 차량을 설계하는 것이 중요하다. 이상적으로는 공기 분자가 차량 차체 의 윤곽을 따라 흐르고 차량, 타이어, 서스펜션 및 돌출부(예: 사이드미러, 롤바)로 인해 생긴 틈을 메울 수 있도록 충분한 시간을 주어야 한다.

 

르망 레이스카를 보신 적이 있다면, 이 차들의 꼬리 부분이 뒷바퀴보다 훨씬 뒤쪽으로 길게 뻗어 있고, 측면이나 위에서 보면 좁아지는 것을 보셨을 겁니다. 이 추가적인 차체 구조 덕분에 공기 분자들이 차체 가장자리를 따라 진공 상태로 부드럽게 모여들어 조종석과 차체 앞쪽의 빈 공간을 채울 수 있다. 이렇게 하면 공기가 갑자기 넓은 빈 공간을 채울 필요가 없어진다.

 

아우디 R18 LMP1-H 레이싱카의 D 모델 [7]

 

 

후방 진공(Rear Vacuum)

 

차량이 지나갈 때 공기 중에 생기는 "구멍" 때문에 발생한다.  차량이 도로를 주행할 때, 각진 세단 형태의 차체가 공기 중에 구멍을 만든다. 그러면 앞서 설명한 것처럼 공기가 차체 주변으로 빠르게 흐르게 된다.

차량이 아주 느린 속도 이상으로 주행할 때, 뒷유리와 트렁크 바로 뒤쪽 공간은 마치 진공 상태처럼 비어 있게 되는데 이 빈 공간은 공기 분자가 차량의 속도만큼 빠르게 그 공간을 채우지 못하기 때문에 발생하게 된다. 공기 분자는 이 공간을 채우려고 하지만, 차량은 항상 한 발 앞서 나가기 때문에 차량의 반대 방향으로 지속적인 진공 효과가 발생하여 공기가 빨려 들어가는 것이다.

 

Rear Vaccum [6]

 

후방 진공에 의해 발생하는 힘은 전방 압력에 의해 발생하는 힘보다 크기 때문에 차량 후방에서 발생하는 진공의 규모를 최소화하는 것이 매우 중요하다.

 

 

이렇게 자동차는 공기저항 및 후방진공에 의한 성능저하를 개선하기 위해서 자동차를 유선형으로 하는것 외에도 차량의 최적화된 항력을 달성하기 위해 바람에 의한 저항을 줄이고 차량의 효율을 향상시키기 위해 스포일러(Spoiler), 리어윙(Rear Wing), 디퓨저(Diffuser)과 같은 다양한 공기역학 장치를 활용하고 있다.

 

 

Part 1
1.자동차의 공기역학
2. 자동차의 양력
3. 자동차의 항력
  - 전두부 압력(Frontal Pressure)
  - 유동박리(Flow detachment), 유동분리(Flow seperation)
  - 후방 진공(Rear Vacuum)

Part 2
4. 자동차의 공기역학설계
  - 스포일러(Spoiler)
  - 리어 윙(Rear Wing)
  - 에어댐/프론트 스플리터(Air dam/Front Splitter)
  - 에어 커튼 ( Air curtain)
  - 디퓨져 (Diffuser)
  - 핀(Fin)

 

 

 

Reference

1.Heinz Heisler,Advanced Vehicle Technology (Second Edition), Butterworth-Heinemann,2002, Pages 584-634, ISBN 9780750651318, https://doi.org/10.1016/B978-075065131-8/50015-4.(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780750651318500154)

2. Nath, D.S., Pujari, P.C., Jain, A. et al. Drag reduction by application of aerodynamic devices in a race car. Adv. Aerodyn. 3, 4 (2021). https://doi.org/10.1186/s42774-020-00054-7

3.Bappa, Mohammed. (2015). AERODYNAMIC SIMULATION OF VEHICLE BODYWORK DESIGN. 10.13140/RG.2.2.16171.46884. 

4.https://www.tec-science.com/mechanics/gases-and-liquids/flow-separation-boundary-layer-separation/

5.Bahgat, Ahmed & Khatab, Mohamed & Mohamed, Ibrahim & Abdel Gawad, Ahmed. (2018). Computational Investigation of Spoiler Effect on the Aerodynamic Performance of Passenger Cars. 

6. Md. Nazmus Salehin, Nayem Zaman Saimoon, Mim Mashrur Ahmed, Md. Rabiul Islam Sarker, Mahadi Hasan Masud,
Passive flow control devices for road vehicles: A comprehensive review, Engineering Science and Technology, an International Journal,Volume 62, 2025, 101953, ISSN 2215-0986, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2025.101953.
7. Boretti, Albert & Ordys, A. & Al-Zubaidy, Sarim. (2016). Aerodynamic analysis of a LMP1- racing car by using Solidworks Flow Simulation. 

8. Md. Nazmus Salehin, Nayem Zaman Saimoon, Mim Mashrur Ahmed, Md. Rabiul Islam Sarker, Mahadi Hasan Masud,
Passive flow control devices for road vehicles: A comprehensive review, Engineering Science and Technology, an International Journal,Volume 62,2025,101953,ISSN 2215-0986, https://doi.org/10.1016/j.jestch.2025.101953. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2215098625000084)