에어로 관련 글을 쓸때마다 '풍동 테스트상 OO모델이 더 좋다고 나오던데 뭐라노?' 같은 뉘앙스의 풍동 맹신론자들이 꽤나 많이보여서, 이번엔 왜 자전거 회사들의 풍동테스트, 그중에서도 측풍 테스트를 거르는지에 대해 글을 싸보려함. 적잖게 어려운 내용이고, 본인도 학교에서 배운 내용이 아니라 학술적으로 완벽한 설명은 되지 못하겠지만 최대한 알아듣기 쉽게 노력해서 써봄


1. 제조사는 왜 측풍 테스트를 하는가?



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에어로 관련 제품(휠, 프레임 등등)에 관한 글, 정보를 찾다보면 사진처럼 여러각도의 바람, 즉 측풍들에 대한 저항 또는 저항계수*면적을 표시해놓은 그래프를 본 적이 있을것임.

측풍테스트 그자체에 대해 알아보려면 일단 왜 하는지부터 알 필요가 있음. 당연한 소리지만 자전거를 야외에서 주행하면서 맞게되는 바람의 방향(yaw)를 측정해본 결과 측풍을 맞는 시간이 유의미한 비율을 차지한다고 측정되었기 때문임.


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위 사진은 Hambini 아저씨가 측정한 데이타고, 그냥봐도 측풍 상태에서 보내는 시간의 비율이 작지 않음을 확인할 수 있음.

따라서 측풍을 맞는 시간이 상당하니, 측풍상황에도 공기저항이 적은 설계를 한다면 더 빠른 자전거가 되겠구나! 하는 생각은 틀리지 않았음. 다만 문제는 테스트 방식에서 발생함.


2. 현재의 테스트 방법


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일반적으로 풍동에서 측풍에 따른 공기 저항을 테스트를 하게되면 일정한 속력, 일정한 각도의 바람, 역학분야 표현으로는 Steady flow를 쏘면서 그것에 의해 밀리는 힘을 측정함. 예를 들면 45kph, 10도 각도의 일정한 바람을 5~10분간 쭉 쏘면서 측정 된 저항을 기록함. 그리고 이러한 테스트를 0도, 3도, 5도, 7도 등등 여러 각도에 대해 반복해서 측정하고 그 값에 가중치(각도당 라이딩에서 시간적으로 차지할 것으로 예상되는 비율)을 곱해서 정리하면 에어로 테스트가 완료되는 것임.


3. 잘못된 이유


그렇다면 왜 틀렸는가 하면, 1에서 제시한 그림을 다시 살펴볼 필요가 있음.



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풍향과 풍속이 일정하게 유지되는 구간이 하나라도 보임? 그렇지 않다는거임. 일정 속력, 각도의 바람은 기껏해야 0.n초 정도 지속되고, 즉시 다른 각도와 속력의 바람으로 변하게 된다고 볼 수 있음. 측풍이 차지하는 비율이 상당하긴 하지만, 꾸준한 측풍을 맞아서 비율이 큰게 아니라 0.n초짜리 측풍을 수천, 수만 번에 걸쳐서 여러번 맞아서 비율이 커진다는 것임.


여기서 0.n초 짜리 측풍이든, 3분짜리 측풍이든 그게 그거 아니냐? 하고 묻는다면 그렇지 않기 때문에 틀렸다고 하는것임.


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공기저항의 대부분은 바람을 맞으면 물체 뒤에 저기압 공간이 생겨서 그에 따른 압력차로 발생하는 원리인데,


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저기압 공간이 형성 및 안정되는데 에는 시간이 걸림. 저 바람이 동일한 각도, 속력으로 충분히 지속된다면 steady 상태가 되어서

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사진처럼 시간이 지나도 일정한 안정된 형태가 되겠지만, 문제는 자전거가 맞는 측풍들은 안정될쯤에 풍향과 풍속이 바뀌어버리기 때문에 실질적으로 공기저항에 영향을 주는건 사진같은 안정된 저기압 공간의 형성양상이 아니라, 안정되기 전 안정되는 과정의 과도기 상태의 양상임. 그래프로 표현하자면


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(수식은 공기저항이랑 관계없는데 transient term이랑 steady term 보여주려고 가져옴)

좀 과장됐지만 실제로 필요한 부분은 노란색 친 구간의 검정 그래프 부분인데, 현재 진행되는 측풍 풍동테스트는 일정한 파란색 그래프밖에 알아내지 못한다 이 얘기임.


4. 잘못된 테스트에 따른 악영향


일정한 측풍에서 성능이 좋아지려면 필연적으로 정면바람의 성능을 깎아먹을 수 밖에 없기 때문에 측풍빨로 결과가 좋게나온 자전거들은 주의할 필요가 있음. 간단한 예를 들면


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코드가 길고, 최대두께 비율이 작은 에어포일이 정면바람에서 성능이 더 뛰어난데



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측풍 상황에서는 코드가 길수록 공기를 맞는 면적이 더 크게 늘어나고, 최대두께 비율이 작을수록 바람을 맞는 부분이 상대적으로 평평하기 때문에 공기저항이 커질 수 밖에 없는 구조임. 이는 받음각이 커질수록 차이가 커짐. 그런데 이 결과만 가지고 아래의 에어포일이 더 좋구나~ 하고 써버리면 미들림이 하이림보다 낫다고 하는것과 같은 말도 안되는 결론이 나옴. 풍동 테스트에서 SL8이 S5를 측풍 영역에서 이겨먹는 경우가 이와 같은 케이스임.


5. 대체방안? 



https://www.hambini.com/testing-to-find-the-fastest-bicycle-wheels/


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Hambini 아저씨처럼 실시간으로 풍향과 풍속을 바꾸면서 테스트 하는 프로토콜을 제안해서 실행하는 방법도 있었고



https://www.instagram.com/p/C7FDKMYtr6V/?igsh=MWF6YmFmMWgyNGh6Nw==


윈드터널에 그리드를 달아서 테스트한 케이스도 있었음

 


6. 결론

제조사들은 정확하게 어떤 방법으로 테스트 하는지는 모르겠지만, 팩터처럼 똑같이 잘못된 방법으로 테스트를 하는데도 개념찬 결과물이 나오는 제조사도 있는 반면 나사빠진 결과로 나오는 회사도 있음. 그러니 풍동테스트 결과나, 회사에서 공개한 테스트 자료를 맹신하기 보다는 프레임 구조와 단면 형상을 보고 스스로 생각해서 판단하는 것이 더 바람직한 선택이라고 권하고 싶음. 판단하는 기준이 궁금하면


https://gall.dcinside.com/mgallery/board/view?id=cycle&no=805413

헤드튜브로 알아보는 에어로 프레임 수준시험공부하다 정신병 걸려서 딴짓하려고 글쌈 질문하면 언젠가 답변해줌에어로 프레임이 자전거의 튜빙단면모양을 공기저항을 덜받는 형태로 뽑아서 공기저항 감소를 도모하는 물건이라는건 다들 알거임. 여기서 어떤 단면형태를 쓰는gall.dcinside.com



심심해서 써보는 에어로 자전거 보는법 3가지간혹 에어로 자전거를 보면서 이게 정말 제조사 말대로 에어로 성능이 좋은 자전거인가? 하는 의문이 든다면 확인해보면 좋을 2가지를 소개해봄. 술 한잔 하면서 막 쓴 글이라 말이 이상한 부분이 있을수 있음. 질문 환영!gall.dcinside.com


한번씩 읽어보길