* 이전 포스팅
[Formula 1] #29 - 폴포징(Porpoising)이란 무엇인가 (1) : 2022년 개선된 F1 차량 파츠들
2022년에는 차량의 많은 변화가 있었다. 그중 우리 귀에 많이 들렸던 것은 그라운드 이펙트(Ground Effect), 사이드 포드 디자인(Sidepod design), 프론트 윙 디자인 (Front Wing desig..
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2022년에는 차량의 많은 변화가 있었다. 그중 우리 귀에 많이 들렸던 것은 그라운드 이펙트(Ground Effect), 사이드 포드 디자인(Sidepod design), 프론트 윙 디자인 (Front Wing design), 18인치 휠 등이다. 하지만 요즘 무엇보다도 가장 크게 화두가 되고 있는 것이 바로 폴포싱(Porpoising)이다.
이번 포스팅에서는 폴포싱(Porpoising)에 대해 살펴보기에 앞서, 2022년 차량 변화의 중요한 부분인 그라운드 이펙트 (Ground Effect)를 이해해보자. 이를 위해 벤츄리 터널 (Venturi Tunnel)에 대한 설명이 있다. 여기에 더불어 서스펜션의 단단함(Suspension Stiffness)에 대해 간단히 살펴보자.
사라진 와류(vortex)... 다운포스는 어디서?
이전 포스팅에서 우리는 바지보드를 포함한 여러 와류 생성을 위한 파츠들이 레이서빌리티(Raceability)를 위해 사라졌다고 했다. 다시 한번 강조하지만 사라진 파츠들의 역할은 와류(Vortex) 생성이다. 이러한 와류는 공기의 흐름을 잡는 데 사용되는 것이고, 공기의 흐름을 잘 잡아주면 차량의 다운포스(Downforce)가 극대화된다. 하지만 이러한 와류 생성기 역할을 담당하는 파츠들은 2022년부터 사라지게 되었다. 그렇다면 F1의 꽃인 다운포스는 어디서 생성이 될까?
그라운드 이펙트 (Ground Effect) 도입
2022년부터 F1 차량의 다운포스는 그라운드 이펙트(Ground Effect)로부터 발생된다.
F1 차량은 다운포스를 극대화시키고 싶어 한다. 물론 다른 모터레이싱 차량들도 다운포스가 중요한 요소이지만, 그립 주행을 하는 F1이 모터스포츠에서 단연 독보적으로 다운포스를 중시한다.
다운포스(Downforce)는 간단히 말하면 차량이 주행할 때 맞는 공기를 이용하여 차량을 바닥으로 누르는 것이다. 비행기의 원리와 반대라고 생각하면 쉽다. 비행기의 양 옆 날개를 포함한 각종 파츠들의 목적이 비행기를 띄우는 것에 있다면, F1 머신의 여러 프론트 윙과 리어 윙을 포함한 여러 파츠들의 목적은 F1 차량을 바닥으로 누른 것에 그 목적이 있다. 이렇게 하면 타이어의 그립이 높아져 더욱더 높은 속도로 코너를 빠져나갈 수 있게 한다.
* F1 차량의 공기역학(Aerodynamics)?
[Formula 1] #01 - 공기역학, 에어로다이나믹스(Aerodynamics) (1)
Formula 1(이하 F1)을 챙겨본지 어느덧 4년차. 경기 자체도 재밌지만 화려한 F1 머신(machine)을 보는 맛도 쏠쏠하다. 이러한 멋진 차가 어떻게 만들어졌는지 이와 관련된 물리적이고도 기술적이고도
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수년 동안 차량은 'Overbody Downforce'를 이용해왔다. 이는 문자 그대로 차량의 위를 지나는 공기를 이용하여 다운포스를 생성한다는 것이다. 이 Overbody Downforce 생성을 위해 F1 머신 앞 뒤에는 프론트 윙과 리어 윙이 있다.
허나 Downforce를 생성시킬 수 있는 다른 방법이 있는데, 이는 바로 'Underbody Downforce'다. 기존 2021년 차량은 바닥이 평평했다. 하지만 2022년 차량은 위 사진과 같이 평평하지 않고 입체적인 형태를 띤다. 우리는 이를 벤츄리 터널(Venturi Tunnel)이라고 한다.
벤츄리 터널 (Venturi Tunnel)
벤츄리 터널은 공기가 들어오는 입구와 공기가 나가는 출구의 크기가 크다. 반면 터널의 중간 부분은 급격하게 좁아진다. F1 머신의 플로어(Floor)를 지면과 아주 가깝게 한 것인데, 이로 인해 벤츄리 터널의 중간 부분에는 공기가 흐를 수 있는 공간이 급격하게 줄어든다.
신기하게도 이 터널로 다운포스를 생성할 수 있다.
벤츄리 터널의 원리
먼저 벤츄리 터널의 큰 입구로 많은 양의 공기가 들어온다. 이때 공기 흐름의 속도를 보통 속도(Normal Speed)라고 해보자. 들어온 공기는 반대편 출구로 빠져나가게 되는데, 이때 공기의 속도 또한 보통 속도이다.
이때 이 두 공기 흐름은 벤츄리 터널 중간의 좁은 구간을 매개로 연결되어 있다. 입구로 들어온 많은 양의 공기가 좁은 구간을 만나게 되는데, 이때 공기가 빠져나가는 출구의 공기 속도와 동일하게 하려면 어떻게 되어야 할까? 터널의 중간 부분의 공기 흐름은 가속되어야 한다.
이렇게 공기의 흐름이 빨라지면 이곳의 압력은 낮아진다. 이러한 낮은 압력은 차량을 지면으로 빨아들이고, 이로 인해 차량이 바닥으로 붙게 된다. 이것이 바로 그라운드 이펙트(Ground Effect)이다.
이러한 벤츄리 터널을 통한 그라운드 이펙트를 통해, 앞서 말한 터닝 베인 (Turning Vane), 바지보드 등과 같은 와류 생성기가 없어도 다운포스가 생성될 수 있는 것이다. (이과 만세!)
실제 효과는?
https://www.youtube.com/watch?v=HRBdcpDDc1g
실제로 드라이버들의 이야기를 들어보거나, 실제 2022년 바레인 그랑프리를 보면 추월이 꽤나 잘 발생하는 것을 볼 수 있다. 실제로 추월이 더 잘 될 수 있도록 레이서빌리티(Raceability)가 개선된 것이다.
프론트 윙의 역할은?
이렇게 되면 프론트 윙의 역할은 어찌 되는지 궁금해할 수 있다. 여전히 프론트 윙의 역할은 중요하다. 앞서 설명한 그라운드 이펙트(Ground Effect)는 F1 차량 구조 상 차량의 뒤쪽에 가깝게 생성된다. 머신의 뒤쪽에는 다운포스 생성을 위한 리어 윙(Rear Wing)과 디퓨저(Diffuser)가 있다.
반면 머신의 앞쪽에는 오직 프론트 윙뿐이 없다. 차량의 앞쪽은 뒤쪽에 비해 상대적으로 그라운드 이펙트를 활용하기 어렵다. 따라서 프론트 윙이 머신 앞쪽 다운포스 생성의 대부분의 역할을 하게 된다.
이러한 구조로 인해 만약 차량이 더티 에어를 맞닥뜨리게 되면 언더스티어는 불가피해진다.
단단해진 서스펜션
주목해야 할 또 다른 변화는 서스펜션의 단단함(Suspension Stiffness)이다.
이전 2021년 차량은 플로어가 평평했다. 각 팀 들은 디퓨저(Diffuser)의 성능을 극대화하기 위해 차량에 어느 정도 각도를 줬고, 이것이 바로 레이크(Rake)다. 허나 지금은 그라운드 이펙트를 위해 차량을 바닥과 최대한 가까이해야 하는데, 차량을 바닥에 가깝게 한 채로 차체를 안정적으로 하려면 서스펜션은 단단해져야 한다.
하지만 단단한 서스펜션은 좋지 만은 않다. 서스펜션이 단단해지면 차량의 움직임 성향은 둔해진다. 그라운드 이펙트로 고속 코너에서의 속도는 빨라졌지만, 저속 코너에서는 단단한 서스로 인해 차량의 롤링(Rolling) 성향이 덜해지면서 타이어 그립이 낮아지게 되어 차량의 속도가 느려진다.
* F1 서스펜션 기초
[Formula 1] #09 - F1 차량의 서스펜션(Suspension)에 대한 이해 (1) : 서스펜션 기초 (Fundamentals of Suspension)
지난 번 'F1 차량에서 무게 배분(Weight Distribution)의 중요성'을 주제로 한 포스팅에서 잠깐 서스펜션(Suspension)에 대해 언급한 적이 있다. 2021.09.19 - [가벼운 공학 과학 IT/Formula 1 Tech. Stuff] -..
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또한 단단해진 서스펜션은 울퉁불퉁한 노면이나 연석에 약하다. 단단해진 만큼 그 충격이 차체로 그대로 전달되기 때문이다. 따라서 차량의 새시(Chasis)나 드라이버의 척추를 보호하려면 연석은 밟지 않는 것이 좋다.
여기까지 왔으면 이제 드디어 폴포싱(Porpoising)을 이해할 준비가 되었다. 다음 포스팅에서는 드디어 폴포싱이 무엇인지 그 원리에 대해 살펴보기로 하자.
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