공기저항과 카본 자전거

2012년 5월호 자전거생활 원고 

 

컬럼제목 : Carbon Story

 

제목: 공기저항과 카본 자전거

부제: 공기역학을 고려한 자전거를 설계할 때 카본이 주는 장점은 어떤 것이 있을까?

 

 

머리글: 공기역학을 영어로 에어로다이나믹스(Aerodynamics)라고 한다. 에어로다이나믹스를 고려한 디자인은 우리 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있다. 대표적으로 항공기를 꼽을 수 있고 매년 새롭게 출시되는 자동차를 보면 점점 그 노력이 고도화 되고 있는 것을 알 수가 있다. 매년 출시되는 신제품 자전거 또한 예외가 아니다. 이번 호에서는 공기역학적 자전거를 설계할 때 카본 복합재가 주는 장점에 대해서 알아보도록 하자.

 

 

자전거는 공기저항과의 싸움이다.

자전거 로드 레이싱은 공기저항과의 싸움이라고 해도 과언이 아니다. 그런데 자전거 승차자를 정면에서 보았을 때에 대부분의 면적을 자전거가 아니라 사람이 차지하고 있는 것을 알 수가 있다. 자전거 주행 시에 자전거가 공기저항에 미치는 영향은 20~30% 정도이고 대부분은 사람이다. 그러므로 공기저항을 줄이는데 있어서 가장 큰 효과를 보고 싶다면 라이더의 자세를 교정하는 것이다. 2008년 베이징 올림픽에서 8개의 금메달을 거머쥐었던 영국팀의 비결 중에 하나도 라이딩 수트(Suit)가 공기저항을 줄여주었기 때문이라는 가디언지(Guardian) 기사도 있었다. 수영의 황제라 불리우는 미국의 펠프스가 물과의 마찰을 줄여주는 전신 수영복으로 세계신기록을 세웠듯이 영국 선수들도 공기와의 마찰을 줄여주는 라이딩복을 입은 것이다. 이렇게 사람이 차지하는 면적은 자전거와 비교하여 압도적으로 넓다. 그럼에도 불구하고 자전거 자체의 공기저항을 줄이려는 시도는 계속되어 왔다. 영향이 20~30%일지라도 라이더의 노력 없이 자전거 자체가 공기저항을 줄여준다면 결과적으로 백분의 일초를 다투는 레이스에서는 1위와 2위를 판가름하기 때문이다. 이러한 공기역학을 고려한 디자인에 있어서 카본복합재는 어떠한 기여를 해온 것일까?  

 

 

같은 700c의 사이즈를 갖는 자전거일지라도 생활자전거일 때와 로드용 자전거일 때의 비교이다. 정면에서 바라보면 생활자전거 탑승자의 면적이 훨씬 넓으므로 더 큰 공기저항을 받을 것이라는 예상을 쉽게 할 수 있다. 이 사진은 자전거의 고전이라고 할 수 있는 sheldonbrown.com에서 가져온 것으로 이 웹사이트에서 자전거 공기저항에 대한 많은 자료를 찾아볼 수 있다.

 

 

베이징 올림픽에서 영국 사이클 팀은 8개의 금메달을 가져간다. 그들이 입었던 사이클복은 공기와의 마찰을 줄여주는 획기적이고 비밀스러운 기능이 들어있는데 영국은 이 기술이 다른 나라로 들어갈 것을 염려하여 2009년에 사이클복을 모두 폐기한다. 2012년 런던 올림픽에 쓰기 위해서이다. 사진은 2008년 그 사이클복장을 입고 출전한 영국선수이다. 옆에는 사이클복 폐기와 관련한 가디언지의 기사이다. 올해 여름에 영국 사이클팀은 다시한번 이 기술의 덕을 보게 될 것인가?

(출처. www.guardian.co.uk)

 

 

단면의 형상이 공기저항을 결정한다.

공기역학에 있어서 형상에 따라 압력항력(공기저항)의 크기도 달라진다. 형태가 진행하는 방향의 반대편으로 갈 수록 뾰족한 모양이 공기저항을 줄여주는데 있어서 장점을 가진다. 단적인 예로 일반 로드바이크를 탈 때의 헬멧과 철인경기용 헬멧은 모양이 극명하게 달라지는데 철인경기의 경우에는 최대한 공기저항을 줄이기 위하여 디자인 되었기 때문이다. 끊임 없이 옆과 뒤를 보면서 팀원들과 커뮤니케이션 해야 하고 상대편 팀과 심리전을 벌여야 하는 로드레이스에서는 길쭉한 형태의 헬멧은 오히려 불편을 초래할 것이다.

 

 

지로(Giro)의 로드레이싱 헬멧과 철인경기용 헬멧을 비교해보다. 경기의 특성에 따라 공기역학을 고려한 디자인도 이렇게 다를 수 있다.

 

 

디스크휠은 일반휠에 비해 왜 공기저항이 적을까?

복합재가 나오면서 가장 효과적으로 휠에 적용된 형태는 디스크 휠이다. 디스크 휠은 왜 공기저항이 적은 것일까? 디스크 휠과 일반 휠을 정면에서 바라보자. 디스크 휠과 일반 휠 모두 일자의 모양을 하고 있지만 일반 휠의 경우에 눈에서 멀어지는 부분에 한 겹의 일자 모양이 더 생기는 것을 알 수가 있다. 빠르게 진행한다고 할 때에 디스크 휠은 앞쪽 반원만 공기저항을 받지만 일반휠의 경우에 앞 쪽 뿐만 아니라 뒷 쪽의 반원으로도 저항을 받는 형태가 존재하는 것이다.

그러나 일반 로드레이싱에서는 바람의 각도가 다양하게 발생할 수 있는데 공기저항이 최소인 디스크 휠도 측면에서 불어오는 바람에는 매우 취약할 수 밖에 없다. 50mm 이상의 높이를 갖는 하이프로파일 카본 림을 라이딩해본 라이더라면 측면 바람에 의해 휘청거리며 본의 아니게 주행차선이 한 차선 밀려버리는 경험을 해본 적이 있을 것이다.

그래서 디스크 휠은 직진성이 중요시되는 로드레이싱 보다는 실내 트랙경기나 타임트라이얼 경기에 많이 사용된다.

 

 

디스크 휠과 일반적인 휠의 공기저항을 비교해 본 그림이다. 디스크 휠이 공기저항을 줄이는데 있어서 효과적임을 알 수 있다. 일반 휠의 경우에는 공기의 흐름이 두차례 휠에 부딪히지만 디스크는 한번만 부딪힌다. 이는 위에서 바라본 휠의 중앙 단면(Section of XY Plane)을 통해서 보면 좀 더 분명하게 드러난다.

 

 

스트림라인은 자전거의 미래다

스트림라인(Streamlines)은 흔히 유선형이라고 알려져서 스트림라인 디자인은 유선형의 디자인으로 해석하곤 한다. 스트림라인은 속도의 벡터와 항상 탄젠트(Tangent)를 이루는 곡선의 연속으로 이를 구하는 방정식이 따로 있다. 스트림라인은 공기나 물이 최소의 저항을 받으며 빠른 속도로 흐를 수 있게끔 해준다.

1956년에 제작된 자전거(Spacelander by Bowden Benjamin)와 2010년에 자동차회사 푸조가 만든 자전거(B1K by Peugeot)의 형상에 유사점을 발견할 수 있다. 1956년생 자전거는 유리섬유복합재로 만든 최초의 자전거였다. 사람들은 복합재를 발견하고 가장 먼저 유려한 스트림라인을 구현해보고 싶었던 것이다. 그러한 꿈은 지금에도 유효하다. 공기저항을 줄여주는 스트림라인은 2010년 컨셉자전거에도 그대로 적용되고 있으니 말이다.

 

 

최초의 유리섬유 자전거 스페이스랜더(Spacelander, 1956년)와 자동차 회사 푸조의 B1K 컨셉 자전거(2010년)이다. 54년의 시간 차를 고려해도 두 자전거간의 디자인에는 스트림라인(Streamlines, 유선형)이라는 유사점을 발견할 수가 있다.

(출처. www.unitedcruiser.com, www.bike-trend.com)

 

 

공기저항을 줄이기 위한 설계에 있어서 카본복합재의 장점

카본복합재는 공기저항을 줄이기 위한 설계에서 어떠한 장점이 있을까?

첫째는 고품질의 자유로운 곡면형상을 구현할 수 있다.

공기역학을 고려한 디자인에 있어서 가장 중요한 것은 제품의 형상이다. 모양이 어떻게 생겼느냐에 따라서 공기저항이 증가하기도 하고 줄기도 한다. 카본 자전거는 금형을 통하여 그 형상이 구현되는데 금형의 형상이 아무리 복잡해도 카본을 적층하는 데에는 무리가 없다. 특히 클래스 A급의 곡면(Class A Surface)이 자동차 산업에서는 가장 높은 품질의 곡면으로 여기는데 카본 복합재는 이에 적합한 작업성과 생산성을 갖추고 있다.

이러한 단면형상의 중요성은 특허에서도 찾아볼 수가 있다. 짚(zipp)사의 카본휠은 딤플 형상으로도 유명하지만 한가지 더 유명한 특허가 있다는 사실은 잘 알려져 있지 않다. 그것은 카본림의 단면 형상에서 브레이크 면의 폭보다 측면(Side Wall)이 더 불룩하게 튀어나오면 짚의 특허를 침해한다는 사실이다. 6~7년 전만해도 짚의 사장이었던 앤디(Andrew Ording)가 타이페이 국제 자전거쇼에서 카본 휠 전시부스마다 돌아다니는 모습을 볼 수가 있었다. 앤디는 배가 불룩한 디자인의 카본 휠을 전시한 중국이나 대만 업체를 발견하면 그 즉시 그 제품을 전시하지 말라고 강력하게 항의했다. 그러한 항의를 받은 업체들은 앤디의 노발대발에 샘플제품을 전시대에서 내릴 수 밖에 없었다. 꼬장꼬장한 할아버지가 자존심과 지적재산권을 지켜내려는 모습이 기억난다. 2008년 앤디는 짚을 스램 그룹(Sram Corporation)에 매각한다.

 

 

카본 휠의 단면 형태를 정의한 짚사의 특허(특허번호. US 5975645)이다. 1999년에 등록된 것으로 공기의 흐름과 함께 승차감을 고려한 것이다. 특히 휠의 측면 벽(Side Wall)의 모양은 매우 불룩한 모양을 하고 있어서 경쟁사에서 이와 같은 모양을 할 경우에는 특허 침해가 된다. 불룩한 기준은 '림(Rim)에서 브레이크가 잡히는 면(Brake Surface)보다 더 튀어나왔는가'이다.

 

 

둘째는 안쪽을 비울 수 있다는 점이다.

안쪽에 재료를 채우지 않고 비우는 것은 경량화, 강도 증가에 있어서 매우 중요한 기술인데 카본복합재 소재는 안을 비우는 제조 공법에 있어서 큰 강점을 갖는다. 이렇게 안이 비어있는 구조를 중공구조(中空構造)라고 하는데 이러한 중공구조를 구현하기 위하여 카본 제조 과정에서는 에어 블래더(Air Bladder)라고하는 공기주머니를 넣어서 안을 효과적으로 비워준다.

금속의 경우에도 중공구조를 구현하는 사례가 있는데 대표적인 기술은 바로 시마노의 할로우텍(Shimano Hollowtech)이다. 그러나 중소업체에서는 시마노의 할로우텍과 같은 고도의 기술을 생산에 적용하려면 많은 장치비용과 기술적 노하우가 축적되어야 한다. 그만큼 기술적 장벽이 높지만, 카본에 있어서의 중공구조는 카본 복합재 성형에 있어서 출발점 중에 하나일 만큼 일반적이어서 중소생산업체들도 이러한 기법을 적용하고 있다. 이러한 사실에서 우리는 카본 복합재가 구현할 수 있는 중공구조의 장점을 발견할 수가 있다.

시마노 프로의 미사일 에보 스템(PRO Missile-Evo Carbon Stem)과 이스턴(Easton)의 EC90 SL 카본 스템 또한 공기저항을 줄이기 위한 형태를 하고 있으며 안쪽은 비어있는 중공구조를 하고 있다. 일반적인 알루미늄 스템에서는 이러한 형태를 발견하기가 쉽지 않다.

 

 

이스턴의 EC90 SL 카본스템과 시마노프로의 미사일 에보(Missle-Evo) 카본스템으로 공기저항을 고려한 독특한 디자인이 일반적인 스템과 차별화되고 있다. 카본복합재로 만든 스템에서 이러한 모양들이 시도되고 있다. 곡면을 설계하는데 있어서 카본 복합재가 주는 자유도와 안을 비울 수 있다는 중공구조의 장점 때문이다.

 

 

세째 표면에 특정한 패턴 형상을 넣을 수 있다.

또한 짚(Zipp)의 카본 휠은 표면에 딤플형상이 있는 것으로 유명하다. 골프공이 멀리나가는 원리와 같다. 이 딤플은 와류(Turbulence)를 발생시켜서 공기저항을 줄여준다는 것이 짚의 주장이다. 물론 특허까지 가지고 있어서 경쟁회사에서는 이러한 딤플 형상을 카본림에 넣을 수 없다.

 

 

짚(Zipp)의 사장이었던 앤디 오딩(Andrew Ording)과 짚 디스크 휠이다. 앤디는 사진에서 보는 바와 같이 카본 휠 표면에 골프공의 딤플 패턴을 통하여 공기저항을 줄일 수 있는 특허(특허번호. US 7114785)를 냈고 이 특허의 발명자가 되었다. 2008년에 짚을 스램그룹에 성공적으로 매각하였고 그것으로 인해 상당한 경제적 부를 얻은 것으로 알려져 있다. 

(출처.www.roadbikeaction.com)

 

 

공기역학이 고려된 카본 HPV

인간의 힘으로만 이동하는 탈 것을 HPV(Human Powered Vehicle)라고 한다. HPV 중에는 자전거의 형태를 한 것도 있는데 공기저항을 줄이기 위하여 대부분 리컴번트의 형태를 하고 있다. 탄환형상의 외장덮개를 보자. 프리프레그 단 2장만을 겹쳐서 매우 얇게 만들었지만 그 형태를 유지하고 있다. 알루미늄으로 제작한다면 쉽게 찌그러질 수 있다. 

 

 

대표적인 HPV 중의 하나인 크리티컬 파워(Critical Power)이다. 캐나다인 그렉(Greg Kolodziejzyk)은 2008년 이 자전거를 타고 24시간 동안 쉬지 않고 1,046 킬로미터(km)를 달려서 기네스 북에 올랐다. 크리티컬 파워는 리컴번트 자전거를 개조한 것으로 카본복합재 덮개를 통한 유선형 디자인으로 어떻게 공기저항을 최소화하고 자동차만큼 빠르게 달릴 수 있었는지를 보여주는 예이다. 이후 그렉은 인간동력 보트로 장거리 이동에서 세계기록를 갱신하였다. 현재 강연과 TV출연 등을 통하여 인간동력의 중요성을 강조하고 끊임 없이 도전하는 삶을 살도록 사람들에게 영감과 희망을 주고 있다. 

(출처. www.adventuresofgreg.com)

 

 

로드바이크 보다는 트라이애슬론 바이크가 공기역학을 고려한 디자인이다.

그 이유는 무엇일까? 경기 규칙이 다르기 때문이다. 로드레이싱은 팀 단위로 주행하는 경우가 많아서 트레인 형식으로 다른 선수의 뒤에 붙어서 레이스를 할 수가 있지만 철인 경기의 경우는 앞에서 달리는 선수 뒤에 바짝 붙어서 공기저항을 줄인 상태로 레이스하는 것이 금지되어 있기 때문이다. 로드레이싱은 자전거 자체의 컨트롤에 좀더 초점이 맞추어져 있고 독주위주의 자전거인 TT용이나 트라이애슬론용 자전거는 공기저항을 최대한 고려한 디자인이 적용된다.

 

 

스페셜라이즈드의 로드바이크(Specialized S-Works McLaren Venge)와 트라이애슬론 바이크(2012 Specialized Shiv)이다. 같은 회사 제품이라도 경기규칙과 용도, 국제사이클연맹(UCI, International Cycling Union) 규정에 따라 자전거의 모양이 어떻게 달라질 수 있는지 단적으로 보여주는 예이다.

 

 

또 다른 이유는 국제사이클연맹(UCI)의 엄격한 규정 때문인데 연맹에서는 프레임 단면의 모양이 지나치게 공기저항을 고려한 디자인으로 발전할 경우 사이클 경기 본질에서 벗어난다는 취지에 따라 설계에 제약을 두고 있다. 마치 F1 경기에서 F1 레이싱카에 배기량, 무게, 날개의 각도 등의 제한조항을 두어 레이서가 경기력을 어떻게 발휘하느냐에 따라서 승패가 갈리도록 하려는 것과 같다.

하지만 최근에는 로드바이크의 경우에도 UCI의 규정을 지키면서 공기저항을 적극적으로 고려한 디자인이 프레임에 적용되고 있다. 서벨로(Cervelo)의 경우에 이전 모델인 S3과 S5를 비교하였을 때에 10% 정도의 공기저항을 줄일 수 있었으며 이는 하루 100km를 주행하는 경기의 경우에 기록을 1분 30초 단축시킬 수 있다고 한다.

 

 

서벨로 S3와 S5 모델이다. S5로 진화하면서 프레임 디자인에 변화가 생겼는데 가장 큰 것은 싯튜브가 두꺼워지고 후륜을 감싸는 형태로 바뀐 부분이다. 다운 튜브도 아래방향으로 내려오면서 전륜과의 거리가 좁아졌다. 이를 통해 공기저항을 10% 정도 줄일 수 있었다고 서벨로는 밝히고 있다. 서벨로 프레임 S3의 단면을 보면 항공기의 날개 단면과 유사하다는 사실을 볼 수가 있다.

(출처. www.cervelo.com)

 

 

알루미늄 소재로도 자유로운 곡면의 구현이 가능하다.

BMW 산악자전거 알루미늄 프레임을 보자. 유려한 곡면들이 지속적으로 연결되어 아름다움을 연출한다. 일반적인 알루미늄 자전거처럼 튜빙을 탑튜브, 다운튜브, 싯튜브의 연결부위별로 용접한 것이 아니고 반쪽을 프레싱으로 누르고 누른 철판을 맞대서 용접한 것이다. BMW의 용접은 크기와 간격이 일정하여 나름의 아름다움을 갖기 때문에 용접 부분을 감추지 않고 오히려 마케팅 포인트로 삼을 정도이다. 카본복합재로 제조할 경우에는 한판으로 형상을 구워내기 때문에 용접이 필요 없는 구조를 갖는다.

 

 

BMW 산악자전거이다. BMW는 알루미늄 소재를 사용하였고 절반씩 양쪽 면을 프레싱하고 용접하는 기법을 사용하여 유선형의 디자인을 완성하였다. 용접을 프레임 전체적으로 작업하여 완성했는데 용접 패턴(Welding Bid)이 매우 규칙적이고 예쁘기 때문에 오히려 이것을 마케팅 포인트로 내세우고 있다. 카본 자전거 만큼의 높은 가격(563만원)이 옥의 티이다.

(출처. www.bmwshop.co.kr)

 

 

마치며

이번호에서는 카본 복합재가 공기역학을 적용한 자전거 설계에 있어서 어떠한 장점을 주는지 알아보았다. 앞으로 다른 라이더의 자전거를 보거나 자전거 샵에서 신제품 자전거를 관찰할 때에 그 프레임과 부품의 단면 형상을 주의 깊게 보면서 얼마나 공기저항을 줄이려는 설계자의 노력이 있었는지 알아내는 것도 즐거움 중에 하나가 될 것이다.