F1 머신에 적용된 공기역학 알아보기

F1 머신에서 제일 중요한 부분중 하나는 바로 공기역학적인 부분이라고 생각한다. 엔진이나 미션 타이어 그리고 드라이버 모두 중요하지만 나의 생각은 단연 F1 머신에 적용되는 공기역학이 상당히 중요한 부분이라고 생각되어진다. 이번 포스팅에서는 F1 머신에 적용된 공기역학을 알아보려고 한다. 전문가처럼은 아니지만 최대한 이야기 해보려고 하니 재미로 읽는다면 흥미롭게 볼 수 있을거라 생각이 된다. 이번 포스팅 역시 사실을 적으려고 노력은 했지만 워낙 어려운 파트라 오류가 존재 할 수 있다는 점 감안해서 재미로 읽어 주시길! 

 

포뮬러 원을 지배하는 기술의 본질

Formula One은 흔히 ‘세계에서 가장 빠른 자동차 경주’로 불린다. 그러나 엔지니어의 관점에서 F1은 단순한 레이스가 아니라 공학 이론이 극한까지 적용되는 이동식 실험실에 가깝다. 하나의 랩타임을 만들기 위해 공기역학, 차량 동역학, 재료공학, 열역학, 제어공학 등 수많은 이론이 동시에 작동하며, 이 중 어떤 이론을 얼마나 잘 이해하고 적용하느냐에 따라 성적은 극적으로 달라진다.
그렇다면 F1에서 가장 중요한 공학 이론은 무엇일까? 이 질문에 대한 답은 분명하다. 공기역학(Aerodynamics)이다.

 

1. 공기역학(Aerodynamics): F1 성능을 지배하는 절대 이론

 

현대 F1 머신에서 발생하는 성능 차이의 대부분은 공기역학에서 비롯된다. 실제로 F1 차량이 코너를 통과할 때 타이어를 노면에 눌러주는 힘, 즉 다운포스의 80% 이상이 공기 흐름 제어를 통해 만들어진다. 이는 엔진 출력보다 공기 설계가 랩타임에 더 큰 영향을 준다는 의미이기도 하다.

공기역학의 핵심 목표는 단순하다. 최대한 많은 다운포스를 만들되, 드래그는 최소화하는 것이다. 하지만 이 두 요소는 본질적으로 충돌한다. 다운포스를 늘리면 공기 저항이 증가하고, 드래그를 줄이면 접지력이 감소한다. F1 엔지니어의 역할은 이 상충 관계 속에서 트랙 특성, 타이어 성질, 차량 셋업을 고려해 최적의 균형점을 찾는 것이다.

프런트 윙은 단순히 앞바퀴를 눌러주는 장치가 아니다. 프런트 윙에서 생성된 공기 흐름은 사이드포드, 바닥, 디퓨저까지 이어지며 차 전체의 공기 질서를 결정한다. 이 때문에 프런트 윙의 작은 각도 변화 하나가 차량 전체 밸런스를 무너뜨릴 수도 있다. 리어 윙 역시 단독 부품이 아니라, 바닥에서 만들어진 흐름을 안정화하는 역할을 수행한다.

이처럼 F1에서 공기역학은 단일 부품의 성능이 아니라 차량 전체를 하나의 공기 시스템으로 설계하는 종합 이론이다.

 

2. 그라운드 이펙트(Ground Effect): 현대 F1 공기역학의 중심축

 

F1의 공기역학을 이야기할 때 그라운드 이펙트를 빼놓을 수 없다. 그라운드 이펙트는 차량 하부에서 공기 흐름을 가속시켜 압력을 낮추고, 그 결과 차체를 노면으로 빨아당기는 현상이다. 이 원리는 벤츄리 효과에 기반하며, 날개를 사용하는 기존 방식보다 훨씬 효율적인 다운포스를 만들어낸다.

2022년 규정 변경 이후 F1은 다시 바닥 중심 설계로 돌아왔다. 이는 단순한 디자인 변화가 아니라, 추월을 어렵게 만들던 난류 문제를 해결하기 위한 구조적 선택이었다. 바닥에서 발생하는 다운포스는 상부 날개보다 외부 공기 흐름에 덜 민감하기 때문에, 뒤따르는 차량도 비교적 안정적인 접지력을 유지할 수 있다.

그라운드 이펙트의 핵심은 바닥 형상, 디퓨저 각도, 차량 높이의 정밀한 제어다. 차체가 너무 낮아지면 공기 흐름이 붕괴되어 다운포스가 급격히 사라지고, 반대로 너무 높아지면 효율이 떨어진다. 이 미세한 영역을 제어하는 것이 현대 F1 엔지니어링의 난이도를 극적으로 끌어올리고 있다.

 

3. 차량 동역학(Vehicle Dynamics): 공기역학을 실제 랩타임으로 바꾸는 이론

 

아무리 완벽한 공기역학 설계를 갖췄더라도, 이를 제대로 활용하지 못하면 랩타임으로 이어지지 않는다. 이 역할을 담당하는 분야가 바로 차량 동역학이다. 차량 동역학은 가속, 제동, 코너링 과정에서 발생하는 모든 힘의 상호작용을 다룬다.

F1 차량은 시속 300km가 넘는 속도에서 급제동과 급회전을 반복한다. 이 과정에서 무게는 지속적으로 이동하며, 타이어에 걸리는 하중은 순간적으로 변화한다. 공기역학적 다운포스 역시 속도에 따라 실시간으로 달라지기 때문에, 서스펜션과 차체 강성은 이를 안정적으로 받아낼 수 있도록 설계되어야 한다.

특히 중요한 개념이 타이어 하중 민감도다. 타이어는 하중이 증가한다고 해서 접지력이 비례해서 증가하지 않는다. 따라서 네 바퀴에 하중을 얼마나 균등하게 분배하느냐가 코너 성능을 좌우한다. 차량 동역학은 공기역학이 만든 힘을 타이어가 가장 효율적으로 사용할 수 있도록 조율하는 이론이다.

 

4. 파워 유닛과 열역학: 보이지 않는 영역에서의 경쟁

 

현대 F1 파워 유닛은 단순한 엔진이 아니라, 고도의 열역학 시스템이다. 터보차저, 에너지 회수 시스템, 배터리, 전력 제어 장치가 하나의 통합된 구조로 작동한다. 이 시스템의 열효율은 50%를 넘어, 일반 내연기관 차량의 두 배 수준에 이른다.

열역학의 관점에서 F1은 연료를 얼마나 태우느냐보다, 버려지는 에너지를 얼마나 회수하고 재사용하느냐가 중요하다. 제동 시 발생하는 운동 에너지를 전기로 변환하고, 배기가스의 열에너지를 다시 출력으로 활용하는 과정은 랩타임과 직결된다. 이 모든 과정은 드라이버가 인지하지 못하는 사이에 정교한 제어 알고리즘에 의해 관리된다.

 

결론: F1에서 가장 중요한 공학 이론의 우선순위

종합적으로 볼 때 F1에서 가장 중요한 공학 이론은 명확하다.

1위는 공기역학이다.
랩타임, 코너 속도, 타이어 성능, 추월 가능성까지 모두 공기 흐름에서 출발한다.
2위는 그라운드 이펙트다. 현대 F1 설계의 중심이 되는 핵심 원리다.
3위는 차량 동역학이며, 이는 공기역학을 실제 성능으로 변환하는 다리 역할을 한다.
그리고 파워 유닛의 열역학은 눈에 보이지 않지만 결과를 바꾸는 결정적 요소다.

 

!정리하면!

F1은 가장 강한 엔진을 가진 팀이 이기는 스포츠가 아니라, 공기를 가장 정교하게 이해한 팀이 승리하는 공학 경쟁이다.