레이스에 참가하는 경주차는 F1에서 튜닝카에 이르기까지 어떤 형태로든 공력장치를 달아 다운포스와 아울러 타이어의 그립을 끌어올린다. 경기규칙에 따르면 움직이는 공력장치를 사용할 수는 없다. 그래서 공력장치를 조절할 수 있게 해두고, 가장 알맞은 상태로 고정한다. 최적이라고 할 때 윙은 맞음각이 크고 다운포스를 최대한 키울 수 있는 상태를 가리킨다. 이때 반드시 저항도 함께 커지기 때문에 타협점을 찾아야 한다.

이처럼 공력적 배려보다 패션이 스타일을 결정해온 양산차와 달리 경주차 설계자들은 오래 전부터 공기저항을 줄이기가 얼마나 중요한가를 알고 있었다. 공기의 흐름이 조종성에 영향을 미친다는 사실은 1960년대 와서야 알게 되었다.

1928년 오펠이 만든 로켓 속도기록 차는 공중으로 날아오르지 못하게 비행기 날개를 뒤집어 달았다. 그러나 실용적이라 할 수는 없었다. 또 스위스의 유능한 엔지니어 미하엘 마이는 젊은 시절 뛰어난 프로 드라이버였다. 1955년 독일 뉘르부르크링 1,000km에 포르쉐 550 스파이더로 출전했다. 당시 콕피트 위에 거대한 날개를 달았다. 아주 성능이 좋아 워크스 포르쉐보다 빠른 랩타임을 냈지만 기묘한 설계 때문에 검차위원의 제지를 받았다.

이처럼 1960년대 후반까지 경주차의 코너링 속도는 그리 대단하지 않았다. 고성능 시판 스포츠카보다 약간 웃도는 수준이었다. 최대한 낮게 잡은 중심, 이상적인 서스펜션 설계, 단일 경기용인 초강력 그립의 타이어를 신고서도 미미한 차이밖에 보이지 못했다. 실제로 1967년과 68년도 F1 또는 레이싱 스포츠카의 최대 코너링에서 횡가속은 1.1G를 겨우 넘었다.

곧이어 경주차 기술혁신이 시작되었다. 위험해 보이는 스포일러와 윙이 등장해 관계자들의 가슴을 조인 시기가 한동안 이어졌다. 드디어 1977년 콜린 채프먼이 설계한 로터스 78이 나타났다. 공기저항을 최소한으로 억제하면서 지면효과를 이용해 놀라운 다운포스를 끌어냈다. 이른바 윙카 시대의 막이 오른 것이다.

국제자동차스포츠협회(FISA)는 코너링 속도가 예상을 뛰어넘는 수준으로 급상승하자 깜짝 놀랐다. 서둘러 다운포스를 줄이는 대책을 세웠다. 윙 크기 제한, 스커트 금지, 앞뒤 바퀴 사이 차체 바닥을 평면으로 하는 등으로 다운포스를 만들어내는 공력장치를 제한했다. 결국 윙카는 사라지고 오늘날 볼 수 있는 모습의 경주차가 자리를 잡았다.

그러나 지금의 경주차도 승용차와 같은 항력은 생기지 않는다. 뿐만 아니라 눈에 보이지 않지만 강력한 공기역학 기능에 의해 언제나 지면에 찰싹 달라붙는다. 시속 300km일 때 차 무게의 2배가 넘는 힘을 만들어낸다.

사실 거의 모든 자동차의 보디는 달릴 때 공력적 부력을 일으킨다. 그 힘은 속도의 제곱에 비례한다. 따라서 보디 위를 흐르는 기류가 밑을 흐르는 기류보다 빠르다. 여기서 기압차가 생겨 날개 이론에 따라 차가 위로 떠오른다. 포뮬러카는 타이어와 휠이 기류에 노출되어 있다. 이에 따라 부력이 생긴다. 광폭 타이어 위쪽에는 차속의 9배인 기류가 흐르고 있다. 타이어 아래쪽에는 공기가 흐르지 않기 때문이다.

차체에 부력이 발생하면 전체적으로 접지력이 떨어져 코너링과 제동력에 악영향을 끼친다. 여기서 잊어선 안 될 것이 있다. 차체 아래쪽에 있는 저압대이다. 차속에 따라 어떻게 변하는가가 중요하다. 보통 뒷바퀴굴림, 특히 흐르듯 길다란 보닛에 클로즈드 보다는 부력이 앞바퀴보다는 뒷바퀴 하중을 줄인다. 아주 곤란한 상태다. 속도가 올라갈수록 앞바퀴보다 뒷바퀴 접지력이 줄어 오버스티어를 부추긴다. 휠이 노출된 경주차는 뒷타이어가 극도의 광폭이어서 앞쪽보다는 뒤쪽에 큰 부력이 생긴다.

뒷바퀴굴림은 구동력이 언제나 앞뒤축을 따라 작용한다. 핸들을 꺾으면 꺾을수록 언더스티어가 늘어난다. 곧 고속코너에서는 저속 코너보다 언더스티어 정도가 줄어든다. 이것은 이상적인 상태와는 반대다. 게다가 속도가 올라감에 따라 앞바퀴보다 뒷바퀴 그립을 줄여나가는 공력효과가 끼어든다.

그러면 저속 코너에서 중립이 되도록 하체를 설정한 차는 어떻게 될까? 고속코너에서는 가공할 고속 오버스티어를 일으켜 거의 조종불가능 상태에 빠진다. 여기서 알 수 있듯이 뒷바퀴 부력은 앞바퀴보다 작아야 한다. 어느 차도 마찬가지다. 일반 양산차와 경주차를 가리지 않고 특수한 공력장치 없이 이런 상황을 만들어낼 수는 없다. 특히 공기저항을 함께 낮추려고 한다면 더욱 공력장치가 필요하다.

공력장치가 양산차에도 얼마나 효력이 있는가는 1990년형 이전의 포르쉐 911을 보면 알 수 있다. 앞쪽 에어댐에 뒤쪽에는 티테이블형 스포일러를 달지 않아 시속 240km의 부력 합계는 180kg. 125kg이 뒤 타이어에, 55kg이 앞 타이어에 걸렸다. 바람직한 배분과는 정반대였다. 여기에 에어댐과 스포일러를 달면 부력은 극적으로 줄어 겨우 합계 17kg. 뒤쪽에 12kg, 앞쪽에 5kg이어서 비율이 바람직하지 않지만 절대값은 무시해도 좋을 만큼 작다. 게다가 조종성은 획기적으로 올라간다.

요즘의 경주차는 지면효과와 앞뒤 윙을 달아 보디 자체가 다운포스를 내게 되어 있다. 이런 장치가 지나친 영향을 주지 않도록 모터스포츠 관련단체는 규격과 위치를 제한하고 있다. 그럼에도 F1 머신은 4.5G의 구심 가속도를 낸다. 그렇다면 F1 머신에는 무게의 4.5배가 되는 원심력이 걸린다. 다운포스는 시속 320km에서 1,500kg에 이른다. 최신 경주차가 아주 딱딱한 서스펜션을 다는 이유를 짐작할 수 있는 수치다. 스프링이 극히 딱딱한 데에는 또 다른 이유가 있다. 지면효과를 얻기 위해서는 하중과 관계없이 지상고를 최대한 끌어내려야 한다. 차체 기울기도 대단히 중요하다. 아주 작은 플러스 경사가 일어나도 앞쪽 부력이 상당히 커진다. 그러면 공기저항이 커진다. 경주차는 갑자기 떠올라 뒤집힐 수도 있다.

참고로 윙은 바람이 정면으로 부딪칠 때 가장 효율이 크다. 다시 말하면, 평온한 공기속을 직진할 때를 가리킨다. 고속 코너를 빠져나가는 곡률에서는 윙 효과에 큰 영향을 받지 않는다. 그러나 요각이 일정한 크기를 넘어서면 다운포스와 그로 인한 그립이 급감해 조종이 불가능하다. 최신 경주차가 큰 드리프트 각을 받아들일 수 없는 이유의 하나다.

글 / 김병헌