일반 물리상식과 다른 타이어의 마찰특성

제목 : 타이어의 과학과 라이딩의 극의 저자 : 和歌山利宏 (와카야마 토시히로) 저자약력 : 75년 야마하입사, 로드스포츠 개발테스트, 레이스 시작, 79년 국제A급승격, 82년 계약라이더로서 또 차체디자이너로서 XJ750베이스의 F-1머신의 개발담당, 그 후 타이어개발 테스트라이더가 된다. 현재는 프리 저널리스트로 활약중. * 그립력은 점착마찰과 히스테리시스마찰에 의해 만들어진다 바이크를 타고 달리면, 틀림없이 타이어와 노면의 사이에 그립력이 생긴다. 하지만 타이어의 그립력이란, 어떻게 해서 만들어지는것일까. 그것에 대해 생각해보자. 노면의 아스팔트와 나무토막이나 금속토막 같은 고체끼리의 마찰이라면, 표면의 미세한 요철이 맞물려서 마찰력을 만든다. 하지만 노면과 타이어라면, 그립의 메커니즘은 이것과는 전혀 다르다. 우선 그것을 머릿속에 새겨두길 바란다. 조금 전 말했던 것처럼, 타이어의 접지면을 런닝에서의 신발밑창으로 예를 들어보자. 이제부터 설명할 내용은, 런닝에서 느끼는 발의 감촉인 것과 동시에, 라이더가 라이딩에서 느끼는 필링도 되기 때문에, 그러한 생각으로 읽어주길 바란다. 런닝에서 신발은 발꿈치부터 땅에 닿는다. 밑창에는, 타이어로 치면 패턴에 해당하는 요철(凹凸)이 새겨져 있고, 또 밑창에서 면압(面压)이 높은 부분이 발꿈치부터 발끝으로 이동하면서 밑창은 변형해간다. 그 변형에 따라서도 밑창고무가 노면에 달라붙는 느낌이 증가할 것이다. 마치 밑창패턴의 빨판이 달라붙는 것 같다고 표현해도 좋을 것이다. 실은 이것과 같은 일이 타이어에도 일어나고 있다. 타이어가 접지하지 않을 때에 트레드면은 변형되지 않은 채로 중앙부분이 부풀어있다. 타이어는 원형이고, 횡방향으로는 둥근 프로파일로 되어있기 때문이다. 그런데 그것은 접지하면 평평해져서, 접지면 안에서 고무는 잡아당겨짐과 동시에 노면과의 사이에서 미끄러짐이 발생하게 된다. 코너링 때는 접지면이 뒤틀리는 변형과 미끄러짐이 발생할 것이다. 그리고 그것에 의해 고무의 분자는 잡아당겨진다. 그로 인해 고무의 분자는 노면의 분자에게 끌려들어가게 된다. 첫째로는, 이것에 의해 마찰력이 발생하는 것이다. 쉽게 말하면 단순히 고무를 꽉 누르는 것보다, 끌어당겨지면서 꽉 누르는 것으로 마찰력이 커지게 된다는 것이다. 이런 상태에서 발생하는 마찰을 점착마찰이라 한다. 일반적으로 컴파운드가 소프트하면 그립이 좋다고 여겨지는 것은 고무가 노면의 요철에 파고들기 쉬운데다가, 고무가 끌어당겨지기 쉬운 점착마찰력이 커지기 때문이기도 하다. 런닝에서 노면을 차려고 할 때, 발밑이 미끄러지기 쉬우면, 발바닥으로 밟아 뭉개는 것처럼 발목을 비틀면서 달리면 쉽게 미끄러지지 않는 경우가 있다. 이것은 고무를 움직이게 함으로써 접지면 안에서의 미끄러짐을 촉진해서, 점착마찰을 크게 하는 것이다. 물론 그것이 지나치면 고무와 노면의 분자가 서로 당기려는 것을 저해해버려 역효과가 된다. 즉, 타이어는 아주 조금씩 미끄러지는 편이 그립이 좋다고 할 수 있는 것이다. 힘의 요소는 이 점착마찰만은 아니다. 실은 또 하나 중요한 것이 있다. 그것은 히스테리시스 마찰이라고 불리는 것이다. 타이어의 그립력은 런닝에서의 신발밑창으로 비유하면 파악하기 쉽다고 했는데, 여기서도 그것처럼 생각해보자. 신발이 지면에 닿아 체중이 실려있을 때, 우주선이 달 위로 사뿐히 착륙하는 것처럼 노면의 요철에 지그시 고무가 들어가는 감촉을 상상해보길 바란다. 여기서 중요한 것은 체중을 건 순간에 재빨리 고무가 요철에 들어가버리는 게 아닌, 지그시 들어가는 것이다. 그리고 신발이 노면에서 떨어질 때도 고무는 늦게 지그시 원래의 상태로 돌아가게 된다. 고무가 이처럼 지그시 변형하는 상태에서 발을 차면, 그 순간 신발밑창에 생기는 약간의 미끄러짐으로 고무는 미세하게 위축되게 된다. 이 위축되는 것에는 저항감이 있어서 그것에 의해 노면에 무거운 느낌으로 걸려 줄 것이다. 지우개를 책상 위에서 문질렀을 때, 북-하는 소리가 나면서 저항감을 느끼는 것과 같은 것이다. 하지만 만약 여기서 고무가 ‘지그시’가 아닌 그대로 휙 변형하는 것이라면, 고무의 변형은 바로 노면의 요철에 따라버리기 때문에 위축되는 것에 의한 저항감은 생기지 않는다. 조금 이해하기 어려운 현상일지도 모르지만, 여기서 고무의 변형에 대해서 좀 더 자세히 주목해보자. 고무에 힘을 가해서 변형시키면, 힘을 가해도 변형은 늦어져서 잠시 후에 변형이 따라오게 될 것이다. 역으로 힘을 제거해도 변형은 잠시 그대로 남아있다. 고무는 흐물흐물 변형하는 것이다. 그 힘과 변형량의 관계를 그래프로 표시하면, 힘을 가해갈 때와 제거해 갈 때의 변형량의 사이에는 어긋남이 발생해 양자(兩者)는 일치하지 않는다. 이것이 서스펜션의 금속스프링이라면 변형시켜갈 때와 돌아갈 때의 변형량은 일치한다(엄밀하게 말하자면 그렇지는 않지만). 실제의 서스펜션에서는 스프링에 댐퍼를 더함으로써 양자의 사이에 어긋남이 생기지만, 그것과 같은 것이라고 할 수 있다. 고무가 노면에 지그시 들어가는 느낌이란, 압축댐핑에 해당하는 효과라고 하는 것이다. 바이크의 서스펜션에 있어서, 힘과 변형량의 그래프에서 어긋남이 발생한다는 것은, 서스를 스트로크 시키려고 하는 에너지의 일부가 댐퍼에 흡수되어 열에너지로 바뀐다는 것이다. 그것이 타이어에서는 타이어를 미끄러트리려 해도 접지면에서 고무가 변형하고 진동해서 타이어를 미끄러트리려는 에너지를 열로 바꾸어버린다는 것이다. 덧붙여 말하자면, 이것이 타이어가 발열하는 큰 원인이기도 하다. 즉, 타이어를 옆으로 미끄러트리려 해도, 거기에는 에너지손실이 생겨서 그것이 마찰력으로서 활용되고 있는 것이다. 물리적으로 어려운 표현이 되었지만, 미끄러트리려는 에너지가 열로 바뀌어 그 결과, 미끄러지지 않고 그립해 준다고 생각해 보면 어떨까. 고무가 진동하고 있다고 해도 바로 감이 안 올지도 모르지만, 사륜차에서 타이어가 그립한계 근처에서 끼익-하고 우는 것은 고무의 진동 때문이라고 생각하면 납득이 갈 것이다. 이처럼 그래프에서 두개의 곡선이 일치하지 않는 현상을 전문용어로 ‘히스테리시스’라 하고, 이것에 따른 에너지 손실을 ‘히스테리시스로스’라고 한다. 그래서 이런 마찰을 ‘히스테리시스마찰’이라고 부르는 것이다. 고무에는, 스프링과 같은 탄성체에 추가해서 댐퍼의 점성체로서의 성질이 있다. 그래서 고무를 점탄성체라고 부르고 있는데 그 덕분에 마찰력이 생기는 것이다. 결국 타이어의 그립력이라는 것은 전항에서 말한 점착마찰력과 이 히스테리시스마찰력에 의해 얻어지고, 양자를 합해서 생기는 것이다. 점착마찰은 접지면에서 고무가 끌어당겨지는 것에 의해 노면과의 사이에서 발생하는 점착력, 그리고 히스테리시스 마찰은 고무의 움직임에 따른 에너지 손실에 의한 그립력이다. 다만 노면이 포장도로가 아닌 흙이나 자갈 위에서는, 타이어의 패턴(블록)과 노면의 맞물림에 의해서도 그립력을 얻는다. 이것은 고무의 블록이 당겨 찢어지려는 저항력에 의한 기계적인 그립력이라고 말할 수 있다. 그래서 이런 마찰력을 응집마찰(凝集摩擦)이라고 부른다. 이 응집마찰은 포장노면에서는 거의 발생하지 않는다고 생각해도 좋다. 즉, 드라이 포장노면에 관해 홈의 유무는 그립력과는 관계없고, 온로드 타이어를 홈이 넓고 깊은 블록패턴으로 만들어도 그립력이 커지는 것은 아니다. 오히려 블록의 변형이 미끄러짐으로 연결되어버리는 경우가 많다. 타이어가 마모되어도 드라이 노면이라면, 그립력 그 자체가 떨어지는 것은 아닌 것이다(타이어의 토탈성능은 떨어지겠지만). 여기까지 말하면 바로 감이 오는 사람도 많을 것이다. 그렇다. 트레드의 홈을 없애는 것으로 실접지면적을 크게 하는 것과 동시에, 트레드의 변형을 없앰으로서 더욱 소프트한 컴파운드를 사용할 수 있게 되어 점착마찰력과 히스테리시스 마찰력을 최대한 벌 수 있게 만든 것이, 로드레이스에서 사용하는 슬릭타이어인 것이다. * 그립의 메커니즘을 생각하면 그 성질도 명확해진다 타이어의 그립에 대해서 생각할 때 이해하기 어렵다고 느끼는 것은, 아무래도 중학교나 고등학교에서 배운 마찰력과 뒤죽박죽이 되어 혼란스러워져 버리기 때문이 아닐까. 어쨌든 마찰력에 대한 것은 잊어버리기 바란다. 이과를 싫어했던 사람이 그립감각을 파악하기 쉬운 것은, 그런 지식에 구애되지 않기 때문이라는 말도 없겠지만. 그것은 어쨌든, 온로드타이어의 그립력은 점착마찰과 히스테리시스마찰에 의해 얻어진다. 저마다의 발생 메커니즘에 대해서는 설명했던 대로지만 조금 딱딱한 이야기가 되어버렸기 때문에, 여기서는 실제로 우리들이 바이크에 탔을 때 걱정되는 그립력의 성질을 그런 메커니즘부터 생각해 나가고 싶다. 실은 고무의 그립력이라는 것은 바이크를 능숙하게 타는 것에 있어서, 더 바랄 나위 없는 성질을 가지고 있다. 우선 타이어에는 완전히 그립하고 있는 것보다는, 조금 미끄러지는 쪽이 그립이 좋다고 하는 성질이 있다. 자세하게는 잠시 후에 접하겠지만, 간단히 말하면 고무는 조금씩 움직이며 미세한 변형을 반복해가는 쪽이 저항이 생겨서 노면에 침투하기 쉽다. 이과에서 배운 고체끼리의 마찰이라면 움직이기 바로 전의 정마찰력이 최대이고, 움직인 후의 동마찰력은 그것보다 작아진다는 성질이 있다. 그리고 움직이기 시작해버리면 속도에 관계없이 동마찰력은 일정해진다. 책상 위에 올려놓은 추에 용수철저울을 달아서 당기면, 움직이기 바로 전에 최대치를 표시하고, 그 후에는 낮은 일정치를 표시한다는 이치다. 이것은 고체의 표면에 미세한 요철이 맞물리는 것으로 마찰력이 발생해서 움직이기 바로 전까지 그 맞물림이 유지되지만, 움직이기 시작하면 그것이 깨져서 마찰력이 작아져 버리기 때문이다. 혹시, 타이어가 플라스틱이나 뭔가로 되어 있어서 그립성질이 이것 같다고 한다면 큰일이다. 미끄러진 순간, 그립력이 작아져 버리기 때문에 느닷없이 넘어진다. 가령 전도를 면했다고 해도 미끄러진 정도와 상관없이 그립력은 일정하기 때문에 슬라이드 컨트롤도 불가능하다. 하지만 고무라면 슬라이드를 느끼면서 그립력을 살리는 것이 가능하다. 이런 알맞은 성질은 점착마찰과 히스테리 마찰의 메커니즘을 생각하면 명확한 것이다. 점착마찰은 접지면으로 고무가 끌어당겨지는 것에 의해 발생하는, 노면에 달라붙는 힘이기 때문에, 조금은 미끄러지는 것으로 고무의 운동이 촉진되어 점착마찰력은 커진다. 그렇다고 너무 미끄러져도 고무와 노면의 분자가 서로 당기려는 것을 저해시켜서 마찰력은 작아진다. 한편 히스테리시스 마찰도 고무가 진동하는 것으로 발생하기 때문에 조금은 미끄러지는 편이 커진다. 물론 너무 미끄러져도, 미끄러지는 것만으로 진동시킬 수 없기 때문에 작아져 버린다. 이 관계를 슬립율과 그립력의 그래프로 표시해보면 알기 쉽다. 슬립율이란, 타이어의 미끄러지는 속도(타이어의 회전속도와 실제 바이크 차속의 차이)를 가속 때라면 타이어의 회전속도로, 감속 때라면 실제의 속도로 나눈 값. 완전히 그립해서 미끄러지는 속도가 0이라면 슬립율은 0이지만, 가속 때 완전히 휠스핀하거나, 감속 때 완전히 휠락(바퀴가 잠김)되어 버린다면 슬립율은 100%가 되는 것이다. 그립력은 완전히 그립하고 있을 때보다, 슬립율이 20~30%때의 경우가 커서 최대가 된다. 그것보다도 미끄러짐이 심해도 그립력은 저하되지만, 슬립율의 변화에 대해 급격히 그립력이 저하되는 것은 아닌 것이다. 이런 그립발생의 메커니즘 덕분에 그립의 피크를 넘어도, 갑자기 완전히 타이어가 스핀, 혹은 록 이 되는 일은 없을 뿐만 아니라, 미끄러짐을 감지한 순간은 최대마찰력을 얻고 있는 것이다. -------------------- 중략 ------------------------ 한줄요약 : 타이어와 포장도로의 마찰력은 고체끼리의 마찰력과 달라서, 타이어의 점탄성으로 인한 점착마찰과 히스테리시스 마찰에 의해, 미끄러지기 직전보다 조금씩 미끄러지고 있을 때 가장 강하다.       번역 : 최종희