[ F1/모터스포츠 입문 ] 1편 - 관성, 마찰과 가속 및 감속

종종 블로그에 F1이나 모터스포츠 관련 포스팅을 하면서
모터스포츠에 대해 전혀 관심이 없거나 정보를 접하지 못했던 많은 분들에게,
'혹시 관심이 생긴다면' 약간이나마 모터스포츠를 이해하는데 도움이 될만한
"입문자용 모터스포츠 이론"을 정리해봐야겠다...는 생각을 했었습니다.
그런 취지에서...
케로군의 짧은 모터스포츠와 과학 지식을 가지고...
한 번 정리를 해 보도록 하겠습니다.




[ F1/모터스포츠 입문 ] 1편 - 가속과 감속


모터스포츠가 성립하려면 일단 자동차를 움직이게 해야 합니다.
시작의 원리가 너무 당연하고 간단하다고 우숩게 보일 수 있지만,
정작 중요한 모터스포츠의 이론들은 모두 '차량의 움직임'에 관련되어 있으므로
간단한 내용이라도 놓치지 마시기 바랍니다.

가속의 원리를 설명하기 위해 그림을 하나 준비했습니다.

모터스포츠에서 차량의 움직임을 이야기할 때 가장 중요한 개념 중 하나가 '관성'입니다.
차량이 정지해 있거나, 일정한 속도로 움직이는( 등속 운동 ) 상태에서는
정지한 상태 또는 일정한 속도로 움직이는 상태를 유지하려는 속성이 있다는 간단하지만 중요한 원리입니다.
먼저 정지 상태를 기준으로 설명을 해 보겠습니다.( 등속 운동의 경우도 사실상 마찬가지입니다. )

관성을 극복하고 차량을 움직이게 하려고 한다면...
( 엔진의 움직임에서 바퀴가 움직이는 단계까지를 모두 생략하고 )
일단 바퀴를 회전시켜야 하겠죠.( 1번 )
바퀴가 회전하면... 바닥과 바퀴 바깥쪽의 타이어가 마찰을 일으키면서...
정지해 있는 바닥을 뒤로 밀어내는 효과가 발생합니다.( 2번 )
하지만, 바닥이 움직일 수는 없기 때문에...
바닥을 뒤로 밀어내는 힘은 결과적으로 차량을 앞으로 움직이는 힘을 발생시키게 됩니다.( 3번 )
이로서 차량은 관성을 극복하고 바닥을 뒤로 밀어내는 작용에 대한 반작용으로 앞으로 나아갈 수 있습니다.
결과적으로 가속을 한마디로 정리한다면
'타이어와 바닥의 마찰을 이용해 차량의 관성을 극복하고 이동 속도를 높이는 과정' 정도가 되겠네요.

앞의 설명에서 또 하나 중요한 개념이 '마찰/마찰력'입니다.
타이어와 바닥 사이에 마찰력이 클 수록 2번의 힘은 강해지고,
결과적으로 3번의 힘... 즉 가속의 효과가 커지게 됩니다.
따라서, '차량의 출발시 너무 급하게 타이어를 회전시킬 경우'
무거운 차량이 정지 상태를 유지하려는 관성을 극복하기에 마찰력이 부족하여...
바퀴가 헛 도는 경우가 생길 수 있습니다.
이 경우 3번의 앞으로 나아가는 힘은 충분히 발생하지 않겠죠.

비슷한 경우로 모래 바닥이나...비가 내려 얇은 수막이 형성된 경우나 극단적으로 빙판이 형성된 경우
마찰력이 적거나 아예 마찰이 발생하지 않아...
3번의 앞으로 나아가는 힘이 바퀴의 회전에 비해 적어지거나 아예 발생하지 않게 됩니다.

반대로 모터스포츠에서 사용하는 극단적인 소프트 타이어의 경우에는
( 충분히 열이 발생한 경우 ) 타이어가 어느 정도 녹으면서 바닥에 달라붙고,
일반적인 타이어보다 훨씬 큰 마찰력을 바닥과의 사이에 발생시킵니다.
따라서, 같은 엔진의 힘이라도 타이어의 영향으로 훨씬 더 큰 전진 효과를 가져오게 됩니다.
단, 기온이 낮거나 비가 오는 등의 상황에서 타이어 열이 충분히 발생하지 않거나...
너무 오래 레이스가 진행되어 타이어가 마모된 경우...
위와 같은 효과는 줄어들거나 사라지게 됩니다.


감속의 경우는 가속의 경우와 마찬가지로 마찰을 통해 관성을 극복하지만, 방향은 반대가 됩니다.
그렇다면 감속은 가속의 정의와 반대로
'타이어와 바닥의 마찰을 이용해 차량의 관성을 극복하고 이동 속도를 줄이는 과정'이 되겠지요.

차량의 감속을 위한 브레이크는 기본적으로 1번의 바퀴의 회전을 억제하고,
이는 2번 방향과 반대 방향으로 마찰력을 발생시키게 됩니다.
충분한 마찰력이 발생했다면 3번 방향의 반대 방향의 힘이 차량에 작용하고,
결과적으로 차량의 속도는 줄어들게 될 것입니다.

바닥의 영향이나 타이어의 종류에 따라 마찰력이 크고 적게 작용하는 것은 가속의 경우와 완전히 동일합니다.
미끄러운( 마찰이 적은 ) 바닥에서의 감속이 기본적인 브레이크의 효과에 비해 적게 나타나겠고,
부드러운 타이어는 감속의 효과를 크게 향상시킬 것입니다.

가속시 차량의 바퀴가 헛도는 경우와 마찬가지로,
갑작스럽고 무리한 브레이킹은 관성을 극복하지 못하고 타이어와 바닥의 마찰력을 떨어뜨릴 수 있으며...
이 경우 감속이 이루어지지 않고 미끄러지는 현상이 발생할 수도 있습니다.

이상, 가속과 감속에 대해서 설명해 보았습니다만,
여기서 다루지 않은 하중이나 공기 역학( 에어로 다이나믹스 )의 영향 등에 따라서도
가속과 감속은 큰 차이를 나타내게 된다는 점은 그냥 참고 정도로 기억해 두시면 좋겠네요.

모터스포츠 입문의 첫 포스팅으로 가속과 감속이라는 가장 중요한 기초를 다뤄봤습니다.
하지만, 드래그 레이싱을 제왼한 모터스포츠는... 직선이 아닌... 이리저리 휘어진 코스에서 펼쳐지므로,
'코너의 공략'이 중요한 변수가 됩니다.
'코너의 공략'에 대한 설명을 하려면... 1차원적인 가속과 감속의 이론을 발전시킬 필요가 있습니다.
하지만, 잊지 말아야 할 것은 '관성'과 '마찰'이라는 두 가지 요소는 끝까지 빠지지 않는다는 것입니다.
다음 편에서도 이 두 가지 요소가 어떻게 활약을 하게 되는지 기대해 주시기 바랍니다. ^^;

[ 2편에 계속 ]