공기저항

왜 배우는가: 공기저항은 속도가 높아질수록 가장 빠르게 커지는 주행저항 요소이므로 고속 주행의 연비와 안정성을 좌우한다. 시험에서는 항력·양력·횡력의 구분, 항력계수의 의미, 조종성과 안정성의 관계를 함께 묻는 경우가 많아 개념을 체계적으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제134회 1교시 1번, 제132회 3교시 5번, 제113회 3교시 4번, 제90회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기저항은 주행 중 차체 주변 공기가 차량의 운동을 방해하는 공기역학적 힘이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 공기저항: 차량이 공기 속을 움직일 때 차체가 받는 힘의 총칭이다.
• 항력: 차량의 진행 방향과 반대로 작용하는 공기저항 성분이다.
• 양력: 차체를 위아래 방향으로 들어 올리거나 누르는 수직 성분이다.
• 횡력: 측풍이나 차량의 요(yaw) 각에 의해 차체를 좌우로 미는 성분이다.
• 항력계수: 차체 형상이 공기 흐름을 얼마나 방해하는지 나타내는 무차원 계수이다.
• 전면투영면적: 차량을 정면에서 바라볼 때의 면적으로, 항력 식의 면적 항이다.

2. 개념 풀이

공기저항은 차량이 공기 속을 움직일 때 공기 흐름이 차체에 작용하여 생기는 힘의 총칭이다. 차량의 운동 방향을 기준으로 보면 진행 방향과 나란한 항력, 수직 방향의 양력, 좌우 방향의 횡력으로 나뉜다. 이 중 연비와 주행 저항에 직접 영향을 주는 것은 항력이고, 양력과 횡력은 고속 주행에서 차량의 자세와 조종 안정성에 영향을 준다.

공기저항이 생기는 원리는 다음과 같다. 공기는 차체 앞면에 부딪혀 흐름이 갈라지고, 차체 뒤쪽에서는 흐름이 표면에서 떨어져 와류와 저압 영역인 후류가 생긴다. 차체 앞면의 고압과 뒷면의 저압이 만드는 힘이 압력항력이며, 차체 표면과 공기 사이의 점성에 의한 마찰이 마찰항력이다. 자동차에서는 흐름이 떨어지는 영역이 넓어 압력항력이 지배적인 성분이 된다.

항력은 다음 식으로 구한다.

$F_D = \frac{1}{2}\rho v^2 C_D A$

여기서 F_D는 항력(N), \rho는 공기 밀도(kg/㎥), v는 차량과 공기의 상대속도(m/s), C_D는 항력계수(무차원), A는 전면투영면적(㎡)이다. 식에서 항력은 속도의 제곱에 비례한다. 속도가 2배가 되면 항력은 4배가 되므로 고속 주행에서 공기저항이 급격히 커진다.

차량이 공기저항을 이기며 달리는 데 필요한 출력은 P = F_D \cdot v이므로 속도의 세제곱에 비례한다. 구름저항은 속도에 거의 무관하게 일정하므로 출력이 속도에 선형으로 비례한다. 따라서 저속에서는 구름저항의 비중이 크고, 고속에서는 공기저항이 주행저항의 주된 몫을 차지한다.

항력계수 C_D는 차체 형상에 따라 정해지는 값이다. 전면투영면적이 같아도 유선형에 가까울수록 C_D가 작아져 항력이 줄어든다. 현대 승용차의 항력계수는 0.35 미만 수준이 일반적이다. 실무에서는 C_D와 A의 곱인 항력면적으로 차량의 공기저항을 비교하기도 한다.

차량 공기저항은 발생 위치와 성질에 따라 여러 요소로 나누어 본다. 차체 형상이 흐름을 갈라놓아 생기는 형상저항, 표면 점성으로 생기는 마찰저항, 사이드미러와 바퀴 등 돌출부 주변 흐름이 서로 간섭하여 생기는 간섭저항, 엔진룸과 실내 통풍 흐름에 따른 내부저항, 라디에이터를 통과하는 공기가 만드는 냉각저항으로 구분된다. 이 중 형상저항의 비중이 가장 크며, 공기저항 저감 설계는 주로 형상저항과 간섭저항을 줄이는 방향으로 이루어진다.

양력은 차체 위아래의 압력 차에서 생기며, 고속 주행 차량에서는 차체를 도로에 누르는 방향으로 작용하도록 설계하는 경우가 많다. 이때 아래 방향 양력을 다운포스라 한다. 다운포스는 노면 접지력을 높이지만 항력을 함께 키울 수 있어 형상 설계에서 절충이 필요하다.

횡력은 측풍이나 요 각이 생길 때 차체 측면에 작용하는 힘이다. 차량이 옆바람을 받으면 차체가 한쪽으로 밀려 직진 안정성과 조향 응답이 영향을 받는다. 따라서 조종성과 안정성 문제는 항력만이 아니라 횡력과 양력까지 함께 봐야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차의 주행저항은 초기에 저속 주행이 많아 구름저항과 구동계 손실이 중심이었다. 최고속도와 고속도로 주행 비중이 높아지면서 속도의 제곱에 비례하는 항력이 주행저항에서 차지하는 비중이 커졌다. 그에 따라 공기저항을 줄이는 형상 설계가 자동차 개발의 주요 과제가 되었다.