F1 한국 그랑프리 60일 앞으로… 바람을 잡는 자가 영광을 잡는다

[김도]

비행기 날개 반대원리로 바람 제어해야 접지력 커… 공기저항 줄이기도 중요

지상에서 가장 빠른 스포츠, 한국 최초의 F1(포뮬러원) 그랑프리가 25일 개막 D-60일을 맞았다. 한국 그랑프리는 10월 24일 전남 영암의 코리아 인터내셔널 서킷에서 결선 레이스가 펼쳐진다.

올 시즌 F1은 그 어느 때보다 치열한 순위 다툼이 펼쳐지고 있다. 이 때문에 전체 19라운드 중 17번째로 열리는 한국 그랑프리는 시즌 챔피언 결정에 중요한 국면이 될 전망이다.

29일 시즌 13라운드 헝가리 그랑프리를 앞둔 가운데, 마크 웨버(레드불·161점)가 루이스 해밀턴(맥라렌·157점)을 가까스로 제치고 드라이버 부문 1위를 달리고 있다. F1 경주차는 흔히 머신(machine)이라고 불린다. 배기량 2400㏄짜리 엔진으로 750마력을 내기 때문이다.

F1 머신이 최고의 스피드를 내기 위해 엔진보다 더 중요한 요소가 있다. 바람을 제어하는 공기역학(aerodynamics)은 F1 팀들이 천문학적인 돈을 투자하는 '최대 승부처'이다.

■고속 주행의 비결은 다운 포스

F1 공기역학의 핵심은 비행기의 원리인 '양력(揚力)'을 역이용한 것이다. F1 차량엔 프런트 윙(front wing·앞날개)과 리어 윙(rear wing ·뒷날개)이 있다. 그 단면을 살펴보면 위쪽은 비교적 평평하고 아래쪽은 둥근 유선형이다.

한마디로 비행기 날개를 거꾸로 뒤집어 놓은 셈이다. 이런 모양은 날개 아래쪽 공기가 위쪽보다 빠르게 흘러, 상대적으로 압력이 낮은 지면 쪽으로 힘을 발생시킨다. 이를 '다운 포스(down force)'라고 한다.

다운 포스는 F1 경주차가 고속에도 지면에 붙어 달리게 한다. 시속 300㎞의 스피드에도 차체가 안정성을 유지할 수 있는 것은 이 때문이다. F1 머신은 시속 300㎞ 이상으로 달릴 때 2000㎏이 넘는 다운 포스를 만들어낸다.

이론적으로 무게 600㎏ 정도인 F1 경주차는 터널 천장에 거꾸로 붙어 달릴 수도 있다. F1 머신의 앞뒤 윙을 비행기 날개와 같은 방향으로 뒤집으면 어떻게 될까. 바퀴가 지면에서 떨어져 '하늘에 뜬 자동차'를 볼 수도 있다.

다운 포스는 제동 거리를 줄여줘 코너를 돌 때 차량이 옆으로 밀리거나 급격히 스피드가 떨어지는 것을 방지하는 역할도 한다. F1 전문가들은 차량 접지력의 80%가 다운 포스, 나머지 20%는 타이어에 의해 결정된다고 말한다.

김재호 F1 해설위원은 "F1 팀들의 가장 큰 숙제는 서킷(경주용 도로) 상황에 가장 적합한 다운 포스를 찾아내는 것"이라고 말했다.

■공기저항은 속도의 제곱에 비례

공기저항에 의한 스피드 감소도 공기역학에서 빼놓을 수 없는 부분이다. 고속으로 달리는 F1 머신은 일반 승용차와 비교할 수 없는 강한 맞바람을 맞게 된다. 한양대 기계공학과 조진수 교수는 "공기저항은 속도의 제곱에 비례하기 때문에 시속 300㎞로 달리는 경주차는 100㎞ 달릴 때보다 9배나 큰 공기저항이 생긴다"고 말했다.

F1 머신과 비행기는 양력을 이용하는 원리는 같지만, 공기저항에서 차이가 난다. 한양대 응용공기역학연구실에 따르면 F1 머신의 공기저항 계수(0.32)는 최고 시속 400㎞를 내는 경비행기 엑스트라 EA300(0.027)보다 10배 이상 크다.

공기저항 계수가 클수록 맞바람에 대한 저항을 심하게 받는다는 뜻이다. 일반인들이 자전거를 탈 때 허리를 앞으로 숙이기만 해도 공기저항계수는 1.1에서 0.9로 떨어진다. 질주하는 F1 머신이 바람의 저항을 가장 세게 받는 곳은 어디일까. F1 팀들은 차체 밖으로 튀어나온 바퀴, 특히 앞바퀴에 걸리는 공기저항을 줄이는 데 기술력을 집중한다.

F1 레이스 때 흔히 볼 수 있는 슬립스트림(slipstream)도 공기저항과 밀접한 관련이 있다. 바람을 가르며 달리는 차는 앞쪽의 기압이 급격히 상승하고, 뒤쪽엔 낮은 기압의 기류 터널이 형성되는데 이를 슬립스트림이라고 한다.

앞에서 달리는 차 뒤에 바짝 붙어서 슬립스트림을 이용하면, 기압의 힘으로 앞으로 빨려 들어가는 현상이 일어난다. 직선 주로에서 이를 이용하는 것이 F1 선수들의 일반적인 추월 기술이다.