▶ 자동차도 몸매를 다듬는다.
 
자동차의 성능 향상과 동시에 속도가 증가함에 따라 에어로 다이나믹스 즉 공기역학이 중요한 요소로 떠올랐다. 차가 속도가 증가할수록 이에 상응하여 공기저항이 증가하기 때문에 이를 해결하기 위한 연구가 필요하게 되었다.

그러므로 차를 제작하기 전에 각종 풍향 실험을 거지는 것이 필수 과정이 인식되고 있다. 각종 실험 결과를 토대로 공기저항을 적게 받도록 형상의 차를 만들어야 한다. 요즘 일반화된 둥근 스타일링, 에어 스포일러, 경사진 앞 부분과 뒷 유리등은 모두 공기저항을 줄이기 위한 것다. 이것으로 과거의 각진 투박한 스타일의 자동차들이 날씬한 몸매를 한 에어로 다이내믹 스타일로 변모하고 있다.

자동차는 공기 속을 주행한다. 좀더 자세히 설명하면 차는 바람 속을 주행하고, 바람을 일으키고 주행한다는 말이 되겠다.

일반적으로 사람이 걸을 때 부는 바람이 상쾌감을 더해 준다. 그러나 자동차가 주행시는 공기가 여러 가지 방해 작용을 하게 된다.  자동차의 주행속도가  낮을 때는 자동차 주변을 조용히 흐르다가 속도가 높아지면 정면으로 차의 진로를 방해하는 작업을 시작한다. 심술을 부리고 용트림을 하며 차를 흔들거나 앞뒤로 큰 압력을 가하게 된다. 스피드가 빨라질수록 공기는 자신의 존재를 더 나타내 보이려고 노력을 하는 것 처럼 보인다.

공기의 저항은 차의 달리기 성능이 높아질수록 증가하므로 자동차 제작에서 공기역학, 즉 에어로 다이나믹스가 중요한 요소로 등장하게 된다. 그리고 이 때문에 새로운 스타일링 경향도 생긴다. 공기와 움직이는 물체의 공기 역학적 관계는 자동차의 속도가 증가할수록 다이나믹하게 표출된다. 공기의 흐름과 저항으로 생기는 움직임이 서로 간섭하지 않는 이상적인 스타일을 만들어내는 것이 고성능차 개발에서 중요한 자리를 차지하는 것은 당연한 것이다.

공기역학의 중요성이 널리 알려짐에 따라 근래에는 고성능 차뿐만 아니라 대량 생산 차 만들기 시작하면서부터 공기역학은 자동차 설계에 매우 중요한 요소로 되고 있다.  따라서 자동차의 여러 부분에서 공기의 저항을 조금 받게 하려는 작업이 이루어지고 있다.  보다 쾌적한 운전을 위해 바람을 가르는 소리가 나지 않도록 신경을 하거나 비올 때 맞바람으로 와이퍼가 떠오르는 것을 막는 등 운전의 안락성과 안전성을 위해 여러 가지 분야에서 연구를 하고 있는 중이다.
 

공기가 움직일 때(또는 공기 속에서 물체가 움직일 때)는 물체를 누르는 성질을 가지고 있다. 달리는 자동차에서는 이러한 공기의 성질이 더 크게 나타나게 된다.  자동차에 적용되는 공기역학은 하늘을 나르는 비행기의 공기역학보다 휠씬 복잡한 형태를 띠고 있으면서도 아직 경험적인 수준에 머무르고 있는 상태이다.  우선적으로 자동차가 달리는 도로의 형태가 일정하지 않고 타이어가 여러 방향으로 진동하면서 주행하기 때문에 공기흐름의 패턴이 일정하지 않다. 이런 이유 때문에 자동차와 공기흐름 사이에는 아직도 개발되지 않는 미지의 세계가 있으며 자동차 디자인에 관한 연구 범위도 무궁무진하겠다.

이런 부분이 공기의 움직임을 관찰하고 확인하여 흐름을 분석한 후 그 데이터를 토대로 자동차 디자인이나 설계에 도입하는 작업을 매우 어렵게 하고 있다. 더구나 주행 중인 차의 움직임 중에서 공기의 힘만을 분리해서 알아보는 것은 더욱 힘든 일이다.

 공기흐름을 연구하고 파악하기 위해 만들어낸 것이 풍동 즉 바람굴 이다. 영어로는 원드 터널이라 불리우며 맞물린 풍동에 실험물체(자동차)를 올려놓고 큰 송풍기(선풍기)로 바람을 불어넣는 장치를 말한다.  바람의 속도(풍속)을 자유로이 조절할 수 있고 기온과 날씨 변화등 환경을 바꾸는 장치도 갖추고 있다.  실험장치 안에 차가 서 있으며 공기가 그 주위를 지나가므로 차가 달리는 실제상황과는 다르다.  벽과 천장이 있는 공간으로 공기가 지나가도록 하였으며 바닥이 평평하기 때문에 기류는 바깥과 다르다.  그러므로 풍동에서 바람의 움직임을 알아볼 때는 그 환경차이를 감안해야 한다.

바람이 터널 바닥을 지날 때 생기는 점성유체(흐르는 공기는 서로 당기는 힘이 있어 바닥면을 지날 때 공기량이 적어지는 성질) 현상을 막기 위해 바닥에 일정한 간격으로 홈을 파놓는 등 실제와 가까운 상태를 만들기 위한 각종 장치를 추가하여 실험을 한다. 자동차의 풍동실험은 수퍼 컴퓨터가 등장한 후에 보다 쉽게 적용할 수 있었다. 공기흐름을 해석할 수 있는 시대가 도래한 것이다.  점성유체역학은 다른 역학과 계산방식이 비해 속도가 빠르고 정확도가 높은 컴퓨터가 아니면 실시간으로 변화하는 공기를 연속적으로 해석하기에 힘들다. 그러므로 수퍼 컴퓨터가 등장한 후에는 보다 신속하고 정확한 실험이 가능하게 되었다.

자동차 앞 쪽 어느 지점에서 흘러오는 공기가 어떤 변화를 일으키면서 지나가는지 움직이는 순간순간 마다 계산을 반복하여야 한다. 이런 식으로 넓은 공간영역을 모두 커버함으로써 자동차 주위 공기의 움직임을 알 수가 있겠다.  또 각종 실험 데이터로 얻어진 계산결과를 그래픽이나 애니메이션으로 처리해 쉽게 이해할 수 있도록 되어 있다. 기초과학적 용어로 표현한다면 이같은 방법은 유체의 특성을 정확히 표현한 방정식을 반복적으로 풀어가는 방법으로 차가 달릴 때 공기의 반응을 재현하는 기술이다.  그러나 이 방법을 쓰더라도 차의 모양이나 노면상태, 바퀴의 운동량과 방향등 차를 둘러싼 환경이 복잡해 공기흐름의 해석을 어렵게 만든다. 그러나 현재로서는 풍동을 통해 공기역학을 연구하는 것이 최선의 방법이다.

공기의 흐름은 자동차의 형상에 따라 달라지게 된다. 또 면을 이루는 선이나 결합 또는 부착물 간의 작은 단차등에 따라서 달라진다. 그러므로 공기저항을 작게 하기 위해서는 외형 각부분에서 곡선화하는 것이 보다 중요하다.
공기저항은 공기의 정면 충돌에서 오는 저항보다 압력 차에 의해 생기는 저항이 압도적으로 크다. 뒤 부분에 생기는 공기의 소용돌이 속의 압력변화로 생기는 저항이 정면저항보다 휠씬 크다. 이 저항이 차를 뒤로 물고 늘어지기 때문에 공기저항을 줄이기 위해서는 소용돌이 현상이 적게 생기도록 해야 한다.
다시 말해 공기흐름을 부드럽게, 그리고 굽이치는 현상이 생기지 않도록 해야 한다. 그리고 주행안전성을 높이기 위해서는 차를 들어올리는 리프트 현상을 억제하는 흐름이 되게 하도록 한다. 가장 큰 소용돌이는 차 뒤쪽이나 양옆에서 생긴다.

뒤 창에 따라붙는 공기의 무리도 강한 소용돌이를 만든다. 옆쪽이 직선일 때 소용돌이가 더 증가하고 부분적으로 튀어나온 곳이나 단차가 있는 곳에서도 약간의 소용돌이가 발생된다. 이러한 현상은 가랑비가 올 때 눈으로 확인할 수 있다. 잔 물방울과 함께 튀어 오른 흙탕이 차체에 들어 붙는 것은 바로 이 현상 때문이다.

공기가 엉키지 않고 부드럽게 흐르도록 하는 것이 공기저항을 줄이는 기본 원칙이다. 실제차의 스타일링을 만들 때는 50-60군데를 체크해야 한다. 큰 영향을 주는 부분은 정면 저항이나 와류 저항이 생기는 곳이다.
예리한 각이나 단 차를 없애는 것은 부분흐름을 좋게 할 뿐이므로 대단치 않게 생각할 수도 있지만 구석구석을 개선하면 동압이 크게 줄어든다. 전체적으로는 공기흐름이 뒤틀리지 않게 부드러운 선을 만드는 것이 가장 중요하다. 멋을 위해 흐름의 곡선을 너무 많이 살리면 동압이 생기는 곳이 그만큼 증가한다.
 

차 앞끝의 높이와 모양. 앞 뒤 유리창의 경사와 곡선의 정도 그리고 지붕 뒤 부분의 흐름선과 트렁크 높이 및 경사관계등이 공기흐름과 큰 관계가 있으므로 부분의 모양과 동압 상태를 잘 연구해야 한다. 차를 위쪽에서 내려다 볼 때 앞 뒤 양쪽 끝 부분이 안쪽으로 들어가면 동압을 줄이는 중요한 열쇠가 된다. 유럽 차 중에 이 부분을 효과적으로 살려 디지인한 차량이 많다. 국내에 수입되고 있는 벤츠나 아우디 등에서 이 모양을 확인할 수 있다.
이 방식을 사용해서 아우디는 공기저항계수가 0.42에서 0.29로 줄여 양산 승용차로는 처음으로 공기저항계수를0.3이하로 실현시켰다.

공기의 흐름선을 부드럽게 하고 소용돌이를 약하게 만들기 위해서는 차체가 긴쪽이 유리하다. 라이플의 총열과 마찬가지로 차 길이가 긴 쪽이 공기흐름을 뒤쪽으로 빨리 벗어나게 만든다. 어느 한 부분의 공기흐름이 부드럽지 못해 소용돌이가 생기면 그 부분에 소용돌이를 없애도록 하는 부착물을 달아 공기의 흐름을 바꾸는 방법도 있다. 대표적인 것이 에어 스포일러입니다. 부착물은 풍동 실험을 통해 그 효과를 확인한 다음 그 결과를 바탕으로 차를 튜닝해야 한다. 흐르는 공기는 조그만 돌출물이나 그것의 위치에 따라 조금씩 변화한다.
 

선을 효율적으로 살리고 돌출부를 누르거나 부착물을 활용하더라도 차의 앞 뒤 발란스를 살리지 않으면 안된다. 특히 차를 들어올리는 앞뒤의 양력에 주의를 기울이지 않으면 주행 안전성이 깨지고 고속 주행시 조종 안정성을 잃게 된다. 또 차의 앞뒷 어느 한쪽을 지나치게 눌러 앞뒤로 출렁이는 피칭 모멘트가 발생하면 타이어의 그립 밸런스가 깨져 고속 때 핸들링이 불안해진다. 이런 이유에서 전문 메이커가 만들 부착물(에어로 파츠)이 아니면 사용을 권하지 않는 것이 좋다. 앞 범퍼나 차체옆면 아래쪽에 붙이는 에어댐 같은 것을 잘못 달면 차의 주행 안전성을 해치는 경우가 많다.

레이스용 경주 차가 초고속 스피드를 낼 수 있는 열쇠도 에어로 다이나믹스 때문이다. 초고속 주행에서는 직진안전성과 코너링 때의 스피드가 기록향상에 큰 영향을 준다. 높은 속력을 얻기 위해서 타이어의 접지력을 최대한으로 키우는 구조를 갖게 하는데 중점을 둔다.
차를 위에서 아래로 누르는 다운 포스가 작용하며 차 무게보다 더 큰 중력이 타이어를 누르게 된다. 다운 포스가 클수록 코너링 때 높은 속력이 나온다. 접지력이 크기 때문에 관성에 의한 코스 이탈이 줄어들고 그 결과 코너링 속도를 높일 수 있다. 다운 포스는 보네트(후드)의 기울기나 뒤에서 부착한 에어스포일러의 의해 생기기도 하지만 차체 아래 공간의 부압에 의해서 더 큰 압력이 생긴다.

다운포스가 발생하고 자동차의 바닥면 뒤 부분이 바깥쪽으로 벌어지게 에어로다이나믹 설계를 하는것이 좋다. 그리고 양쪽 옆으로는 에어댐 스커트를 늘어뜨려 차 밑은 터널 모양을 하고 있다. 자동차의 좁은 앞 쪽에서 들어온 공기는 터널처럼 생긴 차 밑을 지나 뒤로 빠져나간다. 이 때 출구 쪽이 넓어졌으므로 공기가 퍼지도록 한다. 이 공기의 움직임이 낮은 터널 속에 있는 공기를 뒤쪽으로 한꺼번에 끌어당기는 역할을 함으로써 제트 분사 현상이 생겨 차를 밀어주는 역할을 하게 됩니다. 이와 같은 현상이 차의 속력을 높이게 된다. 뿐만 아니라 공기의 흐름이 증가하여 차 밑은 진공상태가 되므로 압력이 내려가지요. 압력이 흡입압이 되어 다운포스가 생긴다. 차체의 앞 쪽 기울기나 에어스포일러, 윙에 의해 다운포스가 생기기도 하지만 지면과 차 사이에 생기는 진공압에 의한 압력이 휠씬 크다.
에어로 다이나믹스 연구는 고성능 승용차의 주행안전성과 최고 스피드에 도달하기 위한 중요한 요소로 각광받고 있다.