[F1 용어집] 모터스포츠 (6) 드래그, 다운포스, 그라운드 이펙트, 포포싱, 바터밍, 아웃워시, 더티에어, 토잉, 슬립 스트림

[공기역학 용어]

드래그
유체 속에서 이동하는 물체에 진행 방향과 반대쪽으로 작용하는 힘

 

드래그는 유체역학에서 어떤 물체가 자신을 둘러싼 유체 속에서 이동할 때, 진행 방향과 반대쪽으로 작용하는 힘을 가리킨다. 정교한 개념 정의가 필요 없다면 "공기 저항 (Air Resistance)" 이나 "유체 저항 (fluid resistance)" 등의 표현을 드래그와 비슷한 의미로 사용할 수 있다.

 

드래그는 레이스카의 바디워크 디자인은 물론 다양한 요인에 따라 결정되지만, 일부에서 오해하는 것과 달리 다운포스와 정확히 반대되는 개념은 아니다. 드래그의 방향과 다운포스의 방향도 서로 반대가 아니며, 발생하는 드래그의 양과 다운포스의 양도 완벽하게 비례하지는 않는다. (반대가 아니라 90도 직각으로 방향으로 작용함)

다운포스 Downforce
유체 속에서 빠르게 움직이는 물체에 아래쪽으로 가해지는 공기역학적 힘

다운포스는 비행기가 하늘을 날 수 있는 원리인 "양력(LIFT)"과 정확히 반대 방향으로 작용하는 힘으로, 유체 속에서 빠르게 움직이는 물체에 아래쪽으로 가해지는 공기역학적 힘을 가리킨다. 레이스카에 강력한 다운포스가 작용할 때 강한 "에어로다이나믹 그립"을 확보해 빠른 속도로 코너를 공략할 수 있지만, 다운포스 생성량이 늘어날 때 드래그 발생량도 함께 증가한다는 문제가 있다.

 

아래 공식처럼 다운포스(F)는 속도(v)의 제곱에 비례하므로, 속도가 빨라질수록 기하급수적으로 많은 양의 다운포스가 발생한다. 매우 빠른 속도를 낼 수 있는 현대적인 F1 레이스카의 경우 얼마나 많은 다운포스를 만들 수 있는가에 따라 레이스카 성능이 좌우된다고 볼 수 있다.

그라운드 이펙트 Ground Effect
차와 지표면 사이 공간이 좁아질 때 다운포스가 급증하는 공기역학적 효과

그라운드 이펙트는 지표면 가까이에서 움직이던 자동차가 다운포스의 영향으로 지표면에 가까워지고, 차체가 아래로 내려가면서 바닥이 지표면과 가까워진 영향으로 다운포스 생성량이 증가하는 과정이 반복되어 더 강력한 다운포스가 작용한 것과 같은 효과를 일으키는 현상이다.

1970년대 후반 F1에 등장한 그라운드 이펙트는 1982 시즌까지 모든 레이스카에 적용되어 강력한 공기역학적 성능을 뽐냈으나, 위험한 사고가 발생하고 여러 문제가 부각되면서 1982 시즌 F1에서 퇴출당했다. 40년 동안 F1 무대에서 사라졌던 그라운드 이펙트는 2022 시즌 규정 변경과 함께 제한적인 형태로 부활해 모든 레이스카에 적용되었다.

 

포포싱 Porpoising

그라운드 이펙트 레이스카가 빠른 속도에서 아래위로 출렁이듯 움직이는 현상

포포싱은 돌고래가 수면 위로 올라왔다가 물속으로 들어가는 반복적인 움직임을 가리키며, 그라운드 이펙트 카가 빠른 속도에서 아래위로 출렁이듯 움직이는 현상이다. 그라운드 이펙트가 계속 차를 지면에 가깝게 만들다가, 차와 지면 사이 공기 흐름이 정체되면 포포싱으로 이어질 수 있다.

포포싱이 발생하면 차의 성능을 제대로 발휘할 수 없고, 바터밍이나 사고로 이어질 가능성이 있다. 이는 드라이버의 건강에도 나쁜 영향을 줄 수 있다.

 

바터밍 Bottoming
차체 바닥이 노면에 닿는 것

레이스카의 차체 바닥이 노면에 닿는 상황을 가리켜 바터밍이라고 부른다. 바터밍이 심하게 발생 시 플랭크에 배치된 스키드 블럭의 티타늄이 노면과 접촉해 불꽃을 튀기기도 한다. 

F1 레이스카를 포함 각종 모터스포츠 레이스카는 보통 라이드 하이트를 낮게 셋업하는 것이 보통이다. 그러나, 정지 상태에서 차체 바닥이 노면에 닿을 정도로 낮게 셋업하는 경우는 거의 없고, 일부 종목에서는 규정을 통해 최소 라이드 하이트를 제한하기도 한다. 이런 상황에서도 강력한 다운포스를 만들 수 있는 F1 레이스카의 속도가 일정 수준 이상 높아지면, 다운포스에 의해 차체가 아래로 눌리는 상황에서 바닥이 노면과 접촉하는 바터밍이 발생할 수 있다. 노면이 불규칙할 경우나 포포싱이 발생할 때도 바터밍이 일어나 다른 문제를 불러올 수 있다.

아웃 워시
레이스카 바깥쪽으로 이동하는 공기 움직임
오픈휠 레이스카 특성상 외부에 노출된 바퀴, 특히 프론트 휠은 강한 타이어 웨이크를 일으키며, 공기역학적으로 불리한 효과를 불러오는 불규칙한 공기 흐름을 만든다. 이런 불규칙한 공기 흐름이 리어 엔드까지 이어져 디퓨저와 리어 윙 등 공기역학적 성능을 떨어뜨리는 것을 막기 위해 현대적인 F1 레이스카는 프론트 윙을 지난 공기 흐름이 레이스카 바깥쪽으로 향하도록 디자인한다. 이렇게 바깥쪽으로 향하도록 유도된 공기 흐름을 아웃워시라고 부른다.

아웃워시는 자가 레이스카의 공기역학적 성능을 높이는 데 도움을 주지만, 뒤따르는 레이스카의 공기역학적 성능을 크게 떨어뜨려 결과적으로 앞선 차에 대한 추격 및 추월 시도를 매우 어렵게 만든다. 이 때문에 FIA는 규정 변경을 통해 F1 레이스카의 아웃워시를 줄이기 위해 노력하고 있고, 2022, 2026 시즌 규정 변경도 아웃워시 억제에 비중을 두고 있다.

 

더티에어 Dirty Air
차가 지나간 뒤 만들어진 난기류 또는 그 난기류가 형성된 공간

더티 에어는 차가 지나간 뒤 만들어진 난기류 또는 앞선 차가 만든 난기류 때문에 뒤따르는 차의 공기역학적 효과가 크게 줄어드는 공간을 가리킨다.

슬립스트림의 효과를 받는 상황이라면 가속에 도움을 받을 때도 있지만, 보통 더티 에어는 뒤따르는 차의 공기역학적 성능을 떨어뜨려 코너 공략을 어렵게 만드는 등 나쁜 효과를 불러온다.

 

토잉 Towing
앞선 차가 뒤따르는 차를 공기역학적으로 끌어주는 효과
토잉은 앞선 차가 공기역학적으로 뒤따르는 차를 "견인"해주는 효과를 가리킨다.

가까이서 슬립스트림을 이용할 경우는 물론, 몬짜처럼 1~2초 이상 뒤처진 위치에서도 토잉이 작용할 수 있다. 토잉이 강력한 효과를 발휘하는 곳에서는 앞선 차가 의도적으로 다른 차에 "Tow"를 주지 않기 위해 불규칙하게 반복적으로 주행 경로를 바꾸는 "Breaking Tow"에 공을 들이는 경우가 많지만, 같은 팀의 동료에게 의도적인 토잉을 제공할 때도 있다.

 

슬립 스트림 Slipstream
레이스카 바로 뒤로 빨아들이는 듯한 공기의 움직임

F1 레이스카처럼 빠르게 움직이는 차의 바로 뒤에 발생하는 "더티 에어" 속에서는 공기 흐름이 불규칙해지고 기압이 낮아질 수 있다. 이렇게 기압이 낮아진 위치에 다른 차가 접근할 때 마치 앞으로 빨아들이는 듯한 효과가 발생하는데, 이를 슬립스트림이라 부른다.

 

앞선 차가 만든 슬립스트림 속에서는 혼자 달릴 때보다 더 빠르게 가속하며 더 높은 최고 속도를 기대할 수 있기 때문에, 간격을 좁히거나 추월을 시도할 때 도움이 될 수 있다. 그러나, 슬립스트림 속에서는 공기역학적 성능이 떨어지고, 뜨거운 열기를 뒤집어쓴다는 단점이 있다.  

 

*F1 용어집 시리즈는 개인적으로 공부를 하기 위해 만든 F1의 단초가 되는 용어들을 5-10개씩 쪼개어 정리한 데일리 용어집 시리즈입니다. F1의 세계에는 생소한 것들이 많거든요.. 부담스럽지 않게 하루 하나 둘씩, 주섬주섬 알아가다 보면 어느 날 F1을 내면까지 더 깊이 있게 이해할 수 있게 되기를 기대해봅니다...*

[출처: F1 용어집 1.1.1.1, 윤재수 해설위원 著]