스포츠 속의 과학
0.001초의 스포츠, F1속의 과학
공대상상 예비 서울공대생을 위한 서울대 공대 이야기 Vol. 28
여러분은 어떤 게임을 가장 좋아하나요?
최근 카트라이더 게임에 대한 관심과 인기가 급격히 늘어나고 있는데요,
이는 아마도 주어진 트랙을 먼저 돌면 이기는 레이싱 게임의 정통성을 유지하면서도,
게임 속의 변신 부스터, 드래프트와 같은 기술들이
레이싱을 더욱 흥미롭게 만들어 주고 있기 때문일 거예요.
그런데 다소 비현실적이라고 느껴질 수도 있는 게임 속의 이 기술들이 세계 최고의
모터스포츠인 F1(Formula 1TM)에서 실제로 쓰이고 있는 기술이라고 한다면 믿어지시나요?
이번 ‘스포츠 속의 과학’ 코너에서는 카트라이더 게임 속의 기술들이
F1 머신에서 실제로 어떻게 사용되고 있는지 알아보도록 하겠습니다!
글: 김호현, 재료공학부 3 / 편집: 곽정원, 에너지자원공학과 2
‘카 레이싱’이라는 소재는 『사이버 포뮬러』, 『이니셜 D』, 『분노의 질주』 등 수많은 작품들 속에서 흥미롭게 다뤄져 왔습니다. 이러한 작품들이 꾸준한 인기를 끌 수 있었던 이유는 바로 더 빠르게 달리고 싶어하는 인간의 원초적인 욕망을 잘 투영해냈기 때문이겠지요. 이러한 인간의 욕망을 잘 반영하여 전 세계 사람들이 열광하는 스포츠 대회가 하나 있습니다. 오직 빠르게 달려야 한다는 목표 하나만으로 설계된 머신(machine)을 가지고 20명의 레이서가 한 서킷(circuit) 위에서 그들의 속도를 경쟁하는 레이싱 대회, 이 대회의 이름은 바로 포뮬러 원(Formula 1, 이하 F1이라 칭함)입니다.
F1에 사용되는 F1 머신은 단 한 번의 완벽한 질주를 위해 설계된 현대 공학기술의 결정체입니다. 빠른 속력을 위하여 도입된 접지력 좋은 타이어와 유체역학적으로 설계된 차체는 물론이고, 마지막 코너나 마지막 직선 주로에서 극적으로 역전하기 위해 장착된, 만화영화에서나 볼 법한 장비들도 존재합니다. 이번 기사에서는 이 부분에 초점을 맞추어 레이싱에서의 극적인 한 방을 만들어내기 위한 장치들인 KERS, DRS에 대해 더 자세히 알아보도록 하겠습니다!
KERS, 단숨에 폭발시키는 묵직한 한 방
레이싱 경기는 정해진 서킷을 수십 바퀴(lap) 도는 방식으로 진행됩니다. 비교적 짧은 서킷을 여러 바퀴 반복적으로 돌아야 하기 때문에 급격한 가속과 제동이 빈번하게 이루어지며, 특히 제동 시에는 바퀴의 마찰 미끄러짐(slip)으로 인해 운동에너지가 열에너지로 손실됩니다. KERS(Kinetic Energy Recovery System)는 ‘제동 시 손실되는 운동에너지를 회수할 수는 없을까’ 하는 아이디어에서 시작되어 개발된 장치입니다. 열역학 제2법칙●에 따라 손실된 열에너지를 완벽하게 운동에너지로 다시 전환할 수는 없으므로, F1 머신에 이 장치를 추가적으로 부착하여 제동 시에 손실되는 운동에너지를 발전기로 즉시 회수하고, 배터리에 저장하여 다시 사용하는 발전기 타입의 KERS를 사용합니다. KERS에 저장된 에너지를 순간적으로 폭발시키면 약 160마력 정도의 출력을 낼 수 있으며, 실제 F1에서는 출발하기 전의 정지 상태에서나 코너를 탈출한 직후 순간적으로 빠른 가속도를 내야 할 때 사용한다고 합니다. 모든 레이싱 게임에서의 로망이라고도 할 수 있는 ‘부스터’의 충전과 출력이 현실 세계에서는 KERS로 구현된 것이라고 말할 수 있습니다.
[그림 1] KERS 장비의 모식도
[그림 2] 리어 윙의 DRS 발동 전 형태
[그림 3] 리어 윙의 DRS 발동 후 상태
DRS, 단 한 번의 추월을 위해
F1의 특성상 코너를 돌 일이 많은데, 자동차의 코너 주행속도는 직선방향으로 움직이려는 관성과 바퀴와 도로 사이에 작용하는 마찰력이 클수록 증가합니다. 관성과 마찰력이 커야 차가 밖으로 튕겨나가지 않고 빠른 속도로 코너를 돌 수 있지요. 마찰력은 수직 항력과 타이어의 접지력에 의해 결정되는데, 그 중 수직 항력은 차체의 무게와 공기가 차를 누르는 힘의 합으로 계산됩니다. 공기가 차를 누르는 이 힘을 다운 포스(down force)라고 하는데, 양력과 반대 방향으로 작용하는 힘인 이 다운 포스는 모터스포츠에서 자주 사용되는 용어입니다. 즉, 코너 주행속도를 빠르게 하려면 다운 포스를 키우는 공기 저항을 증가시켜야 하는데, 이는 반대로 직선 주로 주행속도를 감소시키게 됩니다. 결국, 직선 주행 속도와 코너 주행속도는 서로 상충되는 관계를 가지며, 둘 사이에서 어느 정도의 절충안을 낼 수밖에 없었습니다.
한편 순위를 매기는 모든 경주에서는 추월할 때 슬립스트림(slipstream)이라는 현상을 자주 이용합니다. 공기와 같은 유체 속을 물체가 빠른 속도로 이동할 때 물체의 뒤쪽에서 유체의 흐름이 교란을 받아 소용돌이치는 와류가 형성되는데, 이로 인하여 물체 뒤쪽의 압력이 낮아집니다. 따라서 와류로 인해 낮아진 압력 때문에 다른 물체가 이 물체의 뒤에서 가속할 경우, 와류가 발생하지 않았을 때보다 더 적은 저항으로 쉽게 가속할 수 있습니다. 이 현상을 바로 슬립스트림이라고 합니다. F1에서도 슬립스트림 현상이 일어나지만, F1에서는 모든 머신들이 엔진의 최고 출력을 내며 달리고 있기 때문에 슬립스트림만을 이용하여 추월하기는 쉽지 않습니다. 게다가, 앞서 말했듯 코너 주행속도를 키우기 위해서는 직선 주행속도의 손실을 감수해야 했으므로 추월을 위해서는 다른 방법을 모색해야 했습니다.
F1 머신의 형태를 고정시키면, 차체에 작용하는 공기 저항이 일정해지므로 직선 주행 속도와 코너 주행속도 모두를 크게 만들 수 없었습니다. 따라서 기존 방식으로는 코너링과 추월, 두 마리 토끼를 모두 잡을 수 없었죠. 이 문제를 해결하기 위해 코너 주로에서는 다운 포스를 최대한 늘리고, 직선 주로에서는 최대한 줄임으로써 더 빠르게 가속할 수 있도록 차체를 아예 변신시키자는 혁신적인 아이디어가 등장했습니다. 2011년부터 F1에 도입된, 일명 ‘변신 부스터’라고 칭할 만한 이 기술의 이름이 바로 DRS(Drag Reduction System)입니다.
DRS는 포뮬러 카의 뒷부분에 장착된 리어 윙●●을 조절할 수 있게 해주는 장치입니다. 일반적으로 리어 윙은 [그림 2]에서처럼 위로 들려 있어, 다운 포스를 발생시킵니다. 직선 주로에서 DRS를 사용할 경우, [그림 3]에서처럼 리어 윙이 접히며 기존에 차체의 가속을 방해하던 공기저항이 더욱 줄어들고, 더욱 폭발적으로 가속할 수 있게 합니다. F1에서는 서킷에서 DRS를 사용할 수 있는 구간을 정해 두었고, 이 구간에서 DRS를 완전히 사용할 경우 대략 18.2% 정도의 가속 효과가 생긴다고 합니다!
카레이싱은 단 0.001초라도 먼저 들어온 선수가 승리하기 때문에 모든 기술과 노하우, 테크닉을 총동원하여 ‘가장 빠르게 달릴 수 있는’ 자동차를 만드는 것이 최우선의 과제입니다. 그러므로 어떻게 보면 F1은 주어진 서킷에서 가장 빠르게 달릴 수 있는 포뮬러 카를 선정하는 대회라고도 말할 수 있을 것입니다. 그러나 때로는 조금 뒤처져 있던 레이싱 카가 단 한 번의 추월로 짜릿한 역전승을 달성하는 것을 보며 또 다른 쾌감을 느끼기도 합니다. KERS와 DRS는 레이싱에서 언제든 추월당할 수 있다는 긴장감과 언제든 추월할 수 있다는 희망을 동시에 선사하며 관중들에게 짜릿한 재미와 쾌감을 느끼게 해주는 장치인 것입니다. 여러분도 F1 경기를 보면서 모터스포츠 속에 숨어 있는 공학 기술들이 선사하는 아찔한 쾌감을 느껴보시길 바랍니다.
주해
● 열역학 제2법칙. 열역학 법칙은 제0법칙부터 제3법칙까지 있는데, 그 중 제2법칙은 ‘열에너지를 완전히 운동에너지로 전환할 수 없다’는 것입니다.
●● Rear wing. 차체의 뒤에 달려, 앞에서 뒤로 갈수록 위로 들려 있는 판의 형태로 제작됩니다. 공기의 흐름을 강제로 바꿔주는 역할을 합니다.
사진 출처
• RACEFANS, Video guide to KERS and RDS with Sebastian Vettel, Mar.2011,
www.racefans.net/2011/03/14/video-guide-kers-drs-sebastianvettel/.Accessed 23 Apr 2019.
• RACEFANS, Video guide to KERS and RDS with Sebastian Vettel, Mar. 2011,
www.racefans.net/2011/03/14/video-guide-kers-drs-sebastianvettel/.Accessed 23 Apr 2019.
참고문헌
Frankie F. Jackson, Aerodynamic optimization of Formula student vehicle using computational fluid dynamics, Fields: Journal of Huddersfield student research. 4 (1), 2018. Print.