Aerodynamics에 의한 racing car 사고들...

98년 미국 르망에서 포르세 GT98이 작은 언덕을 내려 오자 마자 공중제비를 하고 부서지는 사고를 보셨을 겁니다. 이외에도 99년 메르세데스 CLR 역시 르망에서 언덕을 내려오자 마자 back flip 되는 사고를 기억 하실 겁니다. (피씨에 저장이 되어 있는데 올릴 곳이 없네요)인터넷에 폴세 GT98 동영상은 있어서 올려 났는데.... 아마 전에 태경님이 한번 올렸던 걸로 아는데, 저 역시 고든 머레이에 관한 글을 쓰고 있던 와중에 그가 78년 브라함팀에 있던 시절 이 Ground Effect 카를 최초로 포뮬러 원 카에 적용시켰다는 것을 염두해 두고 이 점에 잠깐 관심을 두고 여러 가지 Aerodynamics 현상들을 확인해 봤습니다.

 자, 그럼 이런 사고의 문제의 키 포인트는 어디서 오는 것일가요? 먼저 제가 알아본 것을 한 번 적어 올려 보겠습니다. 이 당시는(98-2002) 그라운드 이페트 효과를 알고는 있었지만, 전체적으로 어떻게 해야만 더 효과적으로 이용할 수 있는가는 고려 되지 않았습니다. 즉 이 말은 공기가 프로트 에어리어에 부디히면서 underbody로 공기가 들어갑니다. 그것은 프론트에어리어에 부딛힌 공기가 low pressure area를 찾으려고 하는 것으로 인해 자연스럽게 이뤄지는 것이죠. 그 다음 front wing 부착한 racing car의 이 부위는 공기의 흐름을 빠르게 만듭니다. 그러면서 air sucking을 만들죠. 그러면서 undertray로 흘러가다가 diffuser 부위에서 또 한번의 air sucking이 일어 납니다. 곧 이 이야기는 이 부분이 low pressure area란 뜻이겠죠.

이런 현상을 머리속에 그릴 수도 있지만 작년인가 고속도로를 달리는 버스의 앞으로 신문지가 붙더니 차량 밑면으로 타고 흘러 가더군요 그러더니 버서 꽁무니 부분에서 달라 붙어 떨어 지질 않더군요.

그리고 아래 동영상에서도 볼 수 있다시피 앞에 달리는 아우디 레이싱은 open top 형식이고 폴세GT98은 open top아닌 일반 racing car죠. 이것이 가리키는 것은 같은 속도로 달리게 되는 상황에서 open top형태가 아닌 racing car의 공기 흐름 양이 많다는 것을 뜻 합니다. 아래 그림에서 보면 그것을 더 이해 하기 쉬울 겁니다.

메르세데스 CLR

Audi R8 open top

위 그림에서 타원형의 표시를 해놓은 것 처럼 분명 같은 속도로 두 차량이 달리면 불룩하게 튀어 나온 메르세데스 레이싱카 위로 분명히 더 많은 공기가 흐를 겁입니다. 공기가 차량의 바디를 타고 지나가는 그 길이가 더 길기 때문입니다. 곧 그 얘기는 lift가 아우디 레이싱카 보단 많다는 것이겠죠. 이건 알겠죠 베르누이의 원리를 아신다면 바로 이해가 되리라 봅니다.

그리고 c.g 중력 즉 차량의 무게중심에 많은 엔지니어들이 모든 팩키지들을 이 곳에 모을려고 노력을 하고 있습니다. 이 당시 이 메르세데스 차량은 위 그림에서 보다 시피 오버행이 상당히 짧고 드라이브의 발의 위치가 무게중심에 가까워 있기 보단 좀 더 프론트에 치중한 것을 볼 수 있습니다. 그 얘기는 차랴의 lift 가 더 쉽다는 것을 뜻합니다. 포물러 원에서도 이런 사고들을 조사하여 그 결과로 2004년에 오버행을 널리고 드라이브 의 발 위치를 front axle 뒤에 두게 하는 룰을 정하기도 했습니다.

또한 차량의 undertray 즉 밑 바닥이 아시다시피 납작하게 되어 있습니다. 하지만 이것을 프론트에서 시작해서 디퓨져까지 약간에 경사를 두게 되면 평평한 밑면과는 달리 훨씬 더 많은 다운포스를 얻게 합니다. 이것을 inverted wing형태라고 합니다. 이 애기는 느리게 흐르게 되는 공기를 경사를 둠으로써 흐름의 속도를 더 빨리 하게 만들어 low pressure area를 더 크게 하려는 의도 겠죠. 그럼으로써 차량의 밑바닥으로 흐르는 공기면적을 vaccum으로 만들게 하는 면적을 더 넓히게 하려는 것이죠. 그 이유에서 side skirt를 두는 이유이기도 하고요.

멕라렌 F1 Underbody(undertray)/Clickable

 더 생각나는 것을 적자면, 아까 위에서도 언급했다시피 sucking point가 디퓨저가 시작되는 point에서 생깁니다. 해서 여기에서 가장 많은 downforce가 생긴다면 nose가 들리는 현상이 생기겠죠. 그래서 디퓨져가 시작되는 지점을 좀 차량의 무게 중심에 가깝게 더 널려야 하는 것이죠. 그래서 racing car가 언덕에서 lift되는 이유는 언덕과 차량의 nose간 들리는 각이 커짐에 따라 차량의 underbody로 들어 오는 공기 량이 많아 짐과 동시에 rear axle에서 다운포스가 심하게 발생됨에 따라 차량이 들리는 것이겠죠. 아 그리고 또한 이런 것을 줄일 수 있는 것 중에 하나가 rear wheelcenter( rear axle)과 end of rear간 거리를 길게 해주면(전문 용어가 있는데 기억이 안나네요. 뭐더라?) 그런 lift를 줄여 줄 수 있겠죠.

차량의 nose의 경사각이 크다는 것은 결국 차량 전체 더 많은 lift를 제공한다는 것이죠. 차량을 물방울 형태로 만들되 레이싱 카의 경우엔 최대한 지면과 가깝도록 설계 하는 게 더 유리할 겁니다. 

또 다른 의견이 있으신 분들이 있다면 좋은 토론으로 이야기를 이어 갔으면 좋겠습니다.