자동차 공학과 인문학의 접점-4
제2장 - 자동차 공학과 디자인 이야기 PRAT-3
앞서 쏘나타 DN8의 플랫폼과 헤드램프로 디자인에 스며든 공학기술을 이해해보았다. 쏘나타의 프로파일과 플랫폼의 상관관계를 설명할 때, 항력계수에 대한 이야기를 잠깐 꺼낸 바 있다. 공기저항 계수가 낮은 자동차가 효율적이라는 내용은 상식과 같을 것이다. 공기저항 계수는 힘의 방향에 따라 구분하게 되는데, 대개 낮을 수록 좋다고 표현하는건 정면에서 가해지는 저항력이다. 정면 저항력을 낮춘다면 정말 다방면에서의 이점을 얻을 수 가 있다. 제원상의 성능이나 승차감및 안정감 등 자동차의 모든 물리적 특성을 포괄한다.
쏘나타의 공기저항 계수는 0.27Cd라고 했다. Cd는 'Drag coefficient' 의 약어다. 여기서 Drag가 공기의 정면 저항을 뜻하고, 코피션트는 영어로 계수라는 의미이다. 기계 공학에서 '계수'는 단위가 없다. 또 변수와는 다르게 표본마다 고유의 값을 갖고 있다. Cd를 낮추고자 하는건 결국 정면 공기저항력을 줄이려는 것이다. 공기저항력은 자동차의 정면 면적에 비례하며, 속력과 기온에 따른 유체 밀도 등 이외 변수에 따라 변화한다. 정면면적은 단지 차량의 크기와 연관되는 것이라 Cd가 공력성능을 평가하는 가장 절대적인 지표가 되어준다.
계수는 대상마다 고유한 값을 지니고 있다고 설명했다. 유효숫자를 고려하지 않는다면 모든 자동차의 항력계수는 정확히 일치할 수 없다. 공기저항을 낮추는 건 몇가지 트렌드를 따르거나, 아이디어를 첨부해야 하는 방식이지 형식적인 정답이 아니다. 실제 자동차의 항력계수는 풍동 테스트를 거쳐 측정할 수 있다. 하지만 풍동 실험장의 가동 비용도 그렇고, 1:1 스케일 모델을 매번 제작하는 것도 불가능하다. 때문에 자동차 디자인 안의 3d모델링을 가지고 전산학적인 프로그램인 CFD 등으로 최적화 과정을 거치는게 일반적이다.
공기저항을 낮추는 형식적인 정답은 없지만 데이터 베이스를 통한 추론은 가능하다. 각 물체의 형상에 따른 Cd값을 살펴 보면 물방울 형상의 항력계수가 가장 낮다. 반면 가장 높은 형태는 정육면체다. 다시한번 설명하지만 물체의 크기는 정면 면적과 연관되는 것이고, Cd는 절댓값이 되는 계수다. 자동차도 물방울 형상을 갖춘다면 항력계수도 굉장히 낮아질 수 있다. 하지만 불가능한 이야기다. 자동차는 모든 기능성을 고려해야 하고, 또 인문학적인 관점에서 물방울 모양의 자동차가 받아들이기 쉬운 모습은 아닐 것이다.
여기서는 정육면체와 물방울 형상의 Cd가 왜 차이나는지 근본적인 이유를 파악해볼 필요가 있다. 공기는 일정 형상이 정해지지 않은 유체에 속한다. 또 유체는 종류와 환경에 따른 '점성'을 지닌다. 베르누이의 법칙에 따르면 유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되어있다. 이를 '압력 구배'라 정의한다. 속력을 가진 물체와 유체가 맞닿는다면 유체는 압력이 낮은 곳으로 흘러야만 한다. 여기서 유체는 점성을 가지고 있기 때문에 분자간의 충돌로 인한 마찰이 발생한다.
결국 마찰에 따른 저항력이 물체의 Cd를 낮추는 것이다. 때문에 유체의 흐름이 자연스러운 구체가 정육면체보다는 공기저항에 있어 유리하다. 근데 유체와 물체가 직접 맞닿는 마찰 저항의 경우 물방울 형상과 구체는 큰 차이가 없어 보인다. 반면 공기저항 계수의 양상은 극명히 다르다. 그 이유도 베르누이의 압력 구배를 따른다. 물체, 곧 자동차가 지나간 자리에는 순간적인 진공 영역이 형성된다. 공학에서의 진공 영역은 대기압 보다 압력이 낮게 형성된 공간을 의미한다.
그렇게 된다면 높은 압력에서 낮은 압력으로 흐르는 유체의 특성을 자극할 것이다. 공기는 기존의 진행방향을 무시한채 자연스럽게 차체 뒤로 빨려 들어간다. 마치 소용돌이와 같은 유동을 보이는데 이를 '와류' 현상이라 칭한다. 차체 뒤에 형성된 유체 저항의 영역을 통틀어 'Wake'라 부르고 한국어로 '후류'라 한다. 이 불규칙한 유동의 후류는 차체를 뒤로 잡아당기는 저항력을 발생시킨다. 정면의 마찰 저항과는 항력의 발생 과정이 다르기 때문에 '압력 저항'이란 별도의 표현이 있다.
공기는 이따금 예측했던 방향과 다르게 흐르는 '역압력 구배'를 보인다. 배르누이 법칙을 위배하는 건 아니다. 앞서 유체는 자체적인 점성을 갖고 물체의 표면과 마찰을 일으킨다 했다. 이로인해 유속이 느려지면 주변 압력은 높아진다.그런 압력 변화에 따라 유체가 반대 방향으로 흐르는 '유동 박리' 현상이 나타난다. 물체의 표면에서 이 박리가 발생하는 지점이 '박리점'이다. 근본적인 매커니즘은 와류와 동일한데, 유체의 흐름은 수식적이거나 형식적인 접근으로 파악할 수 없다는 걸 방증한다.
정리하자면 구체와 물방울 형상의 항력계수는 마찰저항보다는 압력 저항에 의해 큰 차이가 발생한 것이다. 자동차의 Cd를 예측할 때도 마찰 저항에 의한 항력과 압력 저항에 의한 항력 두가지를 구분할 수 있겠다. 추가적으로 Cd를 최소화하기 위해 차체 소재와 도장면에 따른 '표면 마찰' 도 고려할 수 있다. 공기역학적인 자동차 디자인은 그런 유체의 흐름을 추정하여 최적화 과정을 거쳐야 한다. 여담으로 유체는 '층류'와 '난류'로 나뉘기도 한다. 층류는 유체의 운동방향과 속력이 일정하고, 난류는 그 반대이다.
