[Uranus의 자동차 이야기5] 물리와 자동차의 즐거운 만남~!

[Uranus]

안녕하세요? Uranus입니다.

보다 추가된 내용이 필요하다 생각되어 전번 4번째 이야기와 연장선에 있는 글을 쓰겠습니다.

이번엔 보다 디테일하게 들어가서 물리법칙을 전반적으로 설명을 하고자 합니다.

이론적 정리를 중시하고, 예로써 글들을 나열해 놓았기 때문에... 엄청나게 글이 깁니다 ;;

거기다 두번 날려먹기까지 해서... 6시간이 넘게 걸렸습니다 T-T 완전 레포트 쓰고 있네요....

그래서... 저의 미숙한 지식으로 인하여 잘못 설명을 드릴 수 있습니다만, 최대한 정확하게 쓰고자 노력하겠습니다.

그럼 시작하겠습니다.

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전편에선 코너를 도는 상황에서의 구동방식에 따른 차량의 움직임을 살펴보았습니다.

이때는 차량의 파워를 이용한 파워슬라이드가 일어날때의 모습을 설명해 드렸습니다.

하지만, 이전 글만을 읽어보셨을때 ' 왜 차량이 코너 밖으로 밀려날까? ' 라는 의문이 생기실 수 있다고 생각되기에...

어째서 이러한 현상이 생기는지 살펴보도록 하겠습니다.

자동차의 메커니즘은 물리법칙을 기본으로 합니다.

그렇기에 ' 뉴턴의 법칙 ' 과 ' 운동에너지 ', ' 마찰력 ' 등 제가 적어 놓은 정도만 이해해 두시면 많은 도움이 됩니다.

차량의 움직임 특성도 이에 벗어나지 못합니다.

우선 가장 먼저 살펴볼것은 ' 운동에너지 ' 에관한 내용입니다.

' 운동에너지 ' 란 운동하는 물체는 그 물체가 정지할 때까지 다른 물체에 일을 할 수 있는 에너지를 뜻합니다.

 - 운동에너지가 마찰력을 통한 열에너지로 변환 -

모든 차량은 가속력에 의하여 속도가 생기게 되면 운동에너지를 지니게 됩니다. 이 운동에너지는 에너지 보존의 법칙

(에너지는 생산되거나 소모되지 않으며 그 외형만 바뀌는 것이다.)

에 의하여 연료 -> 엔진에서의 폭발로 인한 운동에너지와 열에너지 -> 구동계에 의한 각종 마찰에너지로 인한 열에너지

-> 휠에서의 회전력을 통한 운동에너지로 변환이 되어 차량을 움직이게 됩니다. 운동에너지의 크기는 ' 질량 x 속도 ' 입니다.

다음으로 ' 뉴턴의 법칙 ' 입니다.

- 뉴턴의 제1법칙 관성의 법칙 -

기본적으로 물체에 외부에서 힘이 작용하지 않거나  작용하는 힘의 합력이 0일 때 정지하고 있는 물체는 계속 정지해 있고

운동하고 있는 물체는 계속 등속 직선 운동을 할려고 하는 ' 관성의 법칙' 이 일어납니다. 바로 ' 뉴턴의 제1법칙 ' 입니다.

이 현상을 통하여 발현되는 힘들중 ' 관성력 ' 과 ' 원심력 ' 이 있습니다.

' 관성력 '은 가속운동하는 좌표계에서 느껴지는 가상적인 힘으로써 물체가 현 상태를 유지할려고 하기에 발생하는 가상의 힘입니다.

- 관성의 법칙 -

멈춰있던 차량이 앞으로 나아가게 되면 타고 있는 사람의 몸은 뒷쪽으로 쏠리게 되는데, 이는 사람의 몸이 제자리에 멈춰 있으려 하기 때문입니다.

반대로 달려가던 차량이 멈추려고 하면 몸이 앞으로 쏠리게 되는것도 사람의 몸이 앞으로 나아가고자 하기 때문입니다.

                                                                                         - 관성력 : Fc,  원심력 F -

원운동을 하려면 원운동의 중심을 향하는 가속도가 필요하므로 가속도를 생기게 하는 힘이 물체에 작용해야 하는데, 이 힘을 ' 구심력 '이라 합니다.

그러나 이 구심력은 속도의 크기는 변화시키지 못하고 속도의 방향만 바꿔줍니다. ' 원심력 ' 은 구심력과 반대 방향이며 크기는 같습니다.

다음으로 물체를 가속시키는데 있어서 물체에 힘이 작용하면 힘의 방향으로 가속도가 생기며 가속도의 크기는 힘의 크기에 비례하고 질량에 반비례 합니다.

' 뉴턴의 제2법칙 ' 입니다.

마지막으로 물체가 있을 때 한 물체가 다른 물체에 힘을 가하면 그 물체도 상대편 물체에 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 작용됩니다.

' 뉴턴의 제3법칙 ' 입니다.

- 뉴턴의 제3법칙 작용 반작용 -

그럼 이번엔 ' 마찰력 ' 을 설명 하겠습니다.
  

- 마찰력 -

마찰력이란 물체의 움직이는 것을 방해하는 힘입니다.

마찰력의 크기는 표면의 거친 정도에 따라 다르며 면적에는 무관합니다.

또한 무거운 물체를 끌어당기는 데 힘이 많이 드는 것은 물체가 무거울수록(질량이 클수록) 마찰력이 크기 때문입니다.

이 마찰력은 운동 방향과 반대 방향으로 작용합니다.

' 마찰력 = 마찰계수 x 수직항력 ' 입니다. 수직항력은 질량과 표면의 거친정도에 따라 변화합니다.

그럼 ' 타이어의 폭이 넓을 수록 왜 더 접지력이 좋을까? 무게는 큰 차이가 없는데? ' 라고 생각하실겁니다.

이 이유는 무게에 관련이 있는것이 아니라 타이어 폭이 넓어질 수록 그 표면의 거친정도가 증가하여 수직항력이 증가하게 되기 때문입니다.

그래서 폭이 넓은 타이어를 끼게 되면 무게이동에 따른 질량 변화로 인하여 수직항력이 증가되어 더 높은 뮤를 얻을 수 있는것입니다.

인치업을 하게되면 이로 인한 운동에너지 손실이 약간 발생하는데... 이에 관해서는 예전에 저가 썼던 글을 참고하시면 좋겠습니다.

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뉴턴의 제2법칙으로 인하여 차량이 무거울 수록, 엔진 힘이 약할수록, 타이어의 한계가 낮을수록 차량의 가속력을 높이기 어렵습니다.

티코가 버스보다 빠르게 스타트를 할 수 있고, S8이 TT보다 빠르게 달려나갈 수 있고, 타이어의 상태가 엄청나게 나쁜 차량이 새 타이어를 낀 차량보다 느린이유가 여기에 있습니다.

반대로 차량이 멈출려고 할때 차가 무거울 수록 멈추기도 힘듭니다. 이 또한 제2법칙으로 설명할 수 있으며,

가벼운 차량이 트랙에서 장시간 운행할때 무거운 차량에 비하여 타이어의 데미지를 적게 받는다는 점 또한 같은 이치 입니다.

이번엔 차량이 어떻게 앞으로 나아갈 수 있는지 살펴보도록 하지요.

- 파란선 : 진행방향, 빨간선 : 마찰력 방향 -

자동차는 타이어와 지면과의 마찰력을 이용하여 앞으로 나아갑니다.

엔진에서 클러치(혹은 토크컨버러), 미션, 구동축, 그리고 휠로 연결되어 구동력을 타이어가 받아들여 지면에 전달되게 되고,

이 힘은 차량의 진행방향과 반대 방향으로 지면에 힘을 가하여, 이에 대한 반작용으로 차량이 앞으로 나아가게 되는것입니다.

바로 뉴턴의 제3법칙 입니다.

앞으로 나아가는 정도는 힘도 중요하지만 마찰력이 더욱 중요합니다. 마찰력계수(뮤)로써 표현되어지며 높을 수록 마찰력이 높은것입니다.

지면의 상태에 따라서 뮤가 변합니다만, 이를 운전자가 높일 수는 없기 때문에 하이퍼포먼스를 위해서는 좋은 타이어를 써서 뮤를 올려주넌것이 절대적으로 필요합니다.

차량의 파워가 높을수록 혹은 속도가 엄청나게 빠를 수록 운동에너지가 크기 때문에 타이어로인한 영향이 더욱 크게 일어납니다.

그래서 이러한 상황의 차량을 운행한다면 타이어도 비싼것을 사용해야 안전합니다.

전편에서 설명한데로 타이어의 한계에 벗어나 운동마찰력으로 마찰력이 변화하여 차량의 컨트롤에 불이익이 생길 수 있기 때문입니다.

접지면적과 차량의 무게에 따라서 마찰력이 변화를 하는데... 이는 굉장히 복잡하기 때문에 이곳에서 언급하지 않겠습니다.

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(아아.... 여기부터 쓴글이 두번 날라갔었습니다 T-T 다썼었는데.... 죽겠네요.... 아아... T-T )

이제 본격적으로 실제 차량의 움직임을 살펴보도록 하겠습니다.

우선 차량이 가속할때의 상황을 살펴보겠습니다.

- 차량이 가속될때의 수직항력과 마찰력 -

자동차가 멈춰 있다가 가속을 하게 되면 사람은 관성력에 의하여 멈춰 있기를 원하기 때문에 가속력의 반대 방향인 시트쪽으로 힘을 받게 됩니다.

이때 차량의 무게중심이 뒷면으로 이동하게 되어 차체가 뒷쪽으로 쏠리는 ' 스쿼드 현상 ' 이 발생합니다.

뒷면의 타이어들의 수직항력이 증가하게 되어 후륜축에 구동축이 연결되어 있는 형식의 차량들에게 최적의 접지력을 이용하여 스타트를 할 수 있습니다.

여기에 더불어 앞쪽의 마찰력까지 사용할 수 있는 AWD차량들은 그 어떤 형식보다도 빠르게 스타트를 할 수 있습니다.

이번엔 반대 상황인 감속할때의 상황을 살펴보도록 하겠습니다.

- 차량이 감속할때의 수직항력과 마찰력 -

자동차가 진행을 하다 브레이크를 밟아 감속을 하게 되면 사람은 진행방향으로 나아가고자 하는 관성력에 의해 앞쪽으로 힘을 받게 됩니다.

그래서 차량의 무게중심이 앞면으로 이동되어 차체가 앞쪽으로 쏠리는 ' 노즈 다이브 현상 ' 이 발생생하고 타이어들의 수직항력이 증가하여 제동력이

증가됩니다. 이때 운동에너지는 브레이크 시스템 (켈리퍼, 디스크, 패드)을 통하여 열에너지로 변환이 되는 시스템입니다.

- 05년 레이싱용 R8 -

그런데 앞면의 마찰력이 증대되기 때문에 뒷면보다 더 많은 양의 운동에너지를 소모할 수 있게 됩니다.

그래서 앞면의 브레이크 시스템이 뒷면보다 더 구경도 크고 켈리퍼도 많은 것입니다.

감속을 하는데 있어서 FF차량들이 보편적으로 더 좋은 성능을 보여줍니다.

(같은 브레이크 시스템을 장착했고 같은 타이어를 썼으며, 단 타이어 한계를 벗어나지 않았을때)

왜냐하면 무게의 비율 자체가 앞쪽으로 쏠려 있는데 감속을 하게 되면 무게중심 마저 앞으로 쏠리게 되므로 마찰력이 증가되게 됩니다.

이와 같은 이유로 예전 RR차량들의 브레이크가 FF에 비하여 더 밀리는 현상을 보여줬습니다.

물론 요즘엔 워낙 과학기술이 발전하여 이러현 편차가 거의 사라지게 되었습니다.

드디어 차량이 코너 진입했을때 상황을 살펴보도록 하겠습니다.

거의 대부분 뉴턴의 제1법칙으로 설명이 가능합니다. 코너는 오른쪽 코너를 돈다고 가정하겠습니다.

우선 코너에 진입하기 전 감속을 시행할 것입니다.

이를 통하여 차량의 무게중심은 앞면으로 쏠리게 될것이고, 이후 코너 초입에 돌입하게 되면 핸들을 꺽게 되므로 왼쪽 앞에 무게중심이 쏠리게 되어

가장 큰 마찰력을 보여줄 것입니다. 다음으로 오른쪽 앞, 왼쪽 뒤, 오른쪽 뒷바퀴 순으로 마찰력의 크기가 정해질 것입니다.

이때 만약 차량이 오버스피드로 진입을 하게 되었는데 타이어의 한계가 높아 앞쪽 타이어의 그립은 충분히 지탱되고 있고 뒷면은 상대적으로 수직항력이

줄어들어 마찰력이 작아져 슬라이드가 일어나게 되었다 가정하면, 원심력에 의해 오버스티어가 일어나 뒷면이 코너쪽으로 미끌어지게 됩니다.

앞면 타이어의 그립력 마져 충분치 못하다면 앞면도 슬라이드가 일어나게 되어 언더스티어가 일어나게 되는것입니다.

보통 쿠페들은 오버스티어의 경향을 지녔다 하는데, 코너에 진입하게되면 위에서 설명한 데로 앞면에 수직항력이 증가되어 상대적으로 뒷면의 마찰력이

줄어들게 되어 뒤가 돌게 되는 것입니다. 이러한 현상은 특히 FF 쿠페 차량들에서 많이 나타납니다. 앞쪽에 무게가 편중되어 있기 때문이죠.

숫가락을 놓고 뒷면을 톡 건들인 모습을 상상하시면 됩니다.

이제 코너에 진입하고 탈출하기 까지의 과정을 살펴보도록 하겠습니다.

적절한 감속을 하였기에 브레이크를 띄게 되면 앞면에 편중되었언 무게중심이 뉴트럴 상태로 돌아오게 되고,

원심력에 의한 힘만 받아 왼편에 취우치는 무게중심을 이루게 됩니다.

이후 엑셀을 밟아 가속을 하게 되면 왼편 뒷쪽으로 무게중심이 이동되어 타이어의 수직항력이 증가되어 마찰력이 증가합니다.

그리고 탈출을 하게 되면 뒷편으로 고르게 무게중심이 이동되어 양쪽에 비슷한 수징항력이 생기게 될것입니다.

엑셀 조작에 따른 언더, 오버스티어는 이전 제 글을 참고하시면 됩니다.

간단하게 요약하자면 감속때와 마찬가지로 FF차량이라면 오버된 엑셀 조작으로 인하여 수직항력이 줄어든 앞면이 슬라이드로 인하여 더욱 마찰력이

감소하게 되어 언더스티어가 일어날 것이며, FR(MR,RR)차량이라면 뒷쪽의 수직항력보다 더큰 구동력을 보내버려 슬라이드를 일으키게 되면 오버스티어가

일어나게 됩니다. 보통 AWD는... 언더스티어가 일어나게 됩니다.

그런데 이러한 움직임은 셋팅에 따라 오버스티어도, 언더스티어도 일어나게 할 수 있습니다. 모두 한계 마찰력에 따라서 변화하는 것이기에....

구동력이 크게 작동하여 뒷바퀴가 한계에 돌입하기 전에 앞바퀴가 한계에 도달하면 언더스티어가, 뒷바퀴가 더 빨리 나타나면 오버스티어가 발생하니깐요..

그래서 튠을 통하여 자신의 입맛에 맞는 차량을 만들 수 있는 것입니다.

이런 언더스티어, 오버스티어는 기본적으로 타임 루즈가 일어나게 되는 상황이기 때문에 이같은 현상을 억제하기 위하여 요즘 스포츠카는 대부분

앞, 뒤 무게비율을 50:50으로 맞출려고 노력을 하고 있습니다.

지금까지 정확한 이유를 모르셨던 분들도 이 글을 읽으시고 이해를 하시게 되었을거라 생각됩니다.

그리고 무게중심의 이동에 따라 수직항력의 변화로 차량의 마찰략이 끝없는 변화가 온다는 것을 아실 수 있게 되셨을거라 생각됩니다.

아무리 수직항력이 질량의 편중에 따라 변화를 한다 하더라도 그 한계는 정해지게 마련입니다.

왜냐하면 아무리 좋은 타이어라 하더라도 한쪽에 무게가 편중되어 나타나는 마찰력 보단, 뉴트럴 상태의 4개의 타이어 마찰력 총합이 더 크기 때문입니다.

그래서 빠르게 달리기 위해선 4개의 타이어를 얼마나 골고루 사용하는가가 중요한 것이며, 이러한 급격한 무게이동을 막기위하여....

하드 타입 서스펜션, 스트럿바, 스테빌라이저등등.... 차체 강화 튠을 하게 되는것입니다.

단순히 차체 높이를 낮추는 것만으로도 무게이동이 적게 일어나게 되어 무게이동을 억제시킬 수 있습니다.

하지만 이렇게 되면 차량에 들어오는 충격을 흡수할 수 없기때문에 안락함은 포기하셔야 합니다. 차량의 충격을 무게이동을 통하여 흡수를 하기 때문입니다.

마지막으로 위의 글을 통하여 가속의 상황에서 후륜쪽 구동축을 지닌 타입들 (FR,MR,RR,4WD)이 수직항력이 증가되어 있기에 더 높은 가속력을 얻을 수

있다는 것을 생각하실 수 있을 것입니다. 그래서 ' 정통 스포츠카는 FR이다! ' 라는 주장이 있는듯 하다고 생각합니다.

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' 이로써 물리와 자동차의 즐거운 만남~ ' 편을 끝냈습니다.

저가 예전에 알고 있던 내용이라 생각하고... 이전 4편에서 대충 내용을 적었는데....

이번 5편을 적으면서 얼마나 우물안의 개구리인지 다시한번 깨닫게 되었습니다. 역시... 정확히 알고 있지 않으면 모르는만 못하군요.

이러한 물리 법칙이 자동차에 적용된다는 것을 모르고 운전하시는 분들은 많습니다.

하지만 기본적인 이러한 이론을 이해하시고 운전을 하신다면 ' 빠른 ' 운전 뿐만 아니라 ' 안전한 ' 운전을 하는데도 큰 도움이 될거라 생각됩니다.

사고가 날 수 있는 상황에서 정확한 한들조작으로 피하거나, 피해를 최소화 할 수 있기 때문입니다.

제가 쓴 글이 조금이나마 도움이 되었으면... 하는 바램입니다.

6편은 ' Slip Angle ' 입니다. 5편에 같이 포함 시킬려고 하였는데, 내용을 찾아본 결과 엄청나게 중요한 부분이라고 생각이 되었기에...

따로 구성하여 다시 쓰고 있습니다.

' 좀더 빠르게 달릴려면 어떻게 해야하지? '

라고 생각하는 분들이 만약 계신다면, 6편을 꼭! 읽어보시길 바랍니다.

일반사람들 혹은 아마추어레이서라도 알아보지 않으면 정확히 모르는것이 Slip Angle 입니다.

저 또한 그러하였습니다만, 다시 인터넷과 지인을 통한 교육을 받아 좀더 정확하게 지식을 습득하여 정리를 하였습니다.

' 타이어의 놀라운 마술!  Slip Angle! ' 편을 많이 기대해 주세요~

[이준호]

좋은 자료 감사합니다. 마찰력, 관성, 원심력으로 중량이동에 따른 언더, 오버스티어링 현상을 설명할 수 있겠고 슬립앵글로 쏘잉을 설명할 수 있겠네요.. 좌우 중량이동과 트랙션에 따른 마찰력 변화만 설명하면 대부분 중요한 factor는 다 설명되는거 같습니다.

[Uranus]

중량이동에 따른 수직항력 변화와 이에따른 마찰력 변화에 대하여도 글로 설명을 적당히 해봤습니다. 워낙 변수가 많은 내용이라.... 가정에 가정을 거듭하고 있지만... 그래도 한가지 예를 들어 설명하고자 노력하고 있습니다 ㅇㅅㅇ)a

[골프맨]

롤 센터에 대한 부분이 추가되면 더 좋을듯 합니다^^ 나중에 준호님이 좀 알려주세요^^

[클럽아우디]

고생하십니다...좋은 글~ 베리 굿^^

[Uranus]

좋아서 쓰는 글이기에 시간 가는줄 모르며 쓰고 있답니다 ㅇㅅㅇ)a 학교 레포트들도 이렇게 써지면 얼마나 좋을까요 T-T

[Uranus]

완성되었습니다 ㅇㅅㅇ)/ Slip Angle은 6편에서 찾아뵙겠습니다!

[이준호]

멋집니다. 쵝오 ^^ =b

[골프맨]

타이어의 슬립 앵글편이 기다려집니다^^ 래디얼타이어의 구조와 슬릭타이어와의 차이점... 케이싱 강성에 영향을 미치는 요인등... 궁금한것이 많은데... 차량의 무게 배분과 구동장치와의 관계뿐만 아니라 셋팅에 따른 차량거동이 많이 차이난다고 합니다...

[Uranus]

헉.... 타이어 구조까지는 안알아 봤는데.... 이것도 대충 아는것이라 글을 쓸 수준은 못되기에.. 다시 알아봐야겠군요;;; 그럼 슬립앵글편을 쓰고 타이어 편을 써야겠네요 ㅋ