유선형

유선형은 유체 속을 운동할 때 저항을 덜 받도록 만든 물체의 형상이다. 자동차, 비행기 등에 적용된다.

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개요

유선형은 공기나 물속을 나아갈 때 저항을 적게 받는 물체의 모양이다. 유체 속에서 저항을 최소화하기 위해 앞부분은 곡선으로 하고 뒤로 갈수록 날렵해지는 형태를 나타낸다. 전형적인 물고기의 모양이며, 비행기 동체나 배가 물에 닿는 부분 등도 유선형을 갖도록 디자인한다. 몸체가 유선형일 경우 액체나 기체의 흐름 속에서도 저항을 몸체 표면에 따라 흘려보내고, 후미에서의 소용돌이를 최소화할 수 있다. 즉, 물과 공기의 저항을 최소화할 수 있는 것이다. 주변의 자동차는 보통 유선형으로 하단부는 평평하고 상단부는 볼록한 모양을 하고 있다. 이는 공기저항을 덜 받기 위해 물고기의 모양처럼 유선형으로 설계한 것이다. 유선형의 모양은 유선이 적은 변형을 가진다. 이처럼 공기가 원래의 흐르던 모양으로 그대로 흐르지 못하고 변형이 일어나면 더욱 큰 저항을 받게 되고, 자동차의 연비가 떨어지게 된다. 자동차의 모양으로 비교를 하면 사각형은 대형버스나 트럭, 반원형은 해치백, 유선형은 세단으로 비유할 수 있다. 따라서 동일한 성능과 무게를 가지는 자동차라면 세단의 연비가 해치백보다 좋다. 땅 위를 달리는 자동차뿐만 아니라 기차, 비행기도 유선형을 널리 채택하고 있다. 공기저항은 속도나 연료 효율성과 직결된다. 공기저항을 최대한 줄이면 시간과 연료 소모를 그만큼 줄일 수 있다. 또한 동체 디자인이 유선형에 가까워질수록 부딪히는 공기저항이 적어 소음이나 진동이 줄어든다. 유선형 디자인은 건축, 자동차, 제품 디자인 등에 큰 영향을 준다.

역사

알파로메오 40/60 HP 에어로다이나미카

오늘날의 자동차는 편의 장비와 첨단 안전장비로 둘러싸여 있고, 자율주행까지 시범적으로 운영되는 등 기술의 발전을 보여준다. 디자인 역시 자동차 설계에 있어 큰 비중을 차지한다. 이탈리아의 알파로메오(Alfa Romeo)는 자동차가 등장한 지 얼마 안 된 시점에 세계 최초로 유선형 자동차를 만들어 냈다. 자동차를 유선형으로 설계하게 되면 시각적으로 매끈해 보이는 효과와 함께 공기저항계수를 낮출 수 있다는 이점이 있다. 많은 스포츠카와 슈퍼카는 항공기의 디자인에서 영감을 얻는다. 알파로메오가 창립된 지 3년째 되던 1913년, 밀라노에서 40/60 HP가 등장했다. 총 27대가 만들어졌고 레이스카인 코르사(Corsa)와 일반도로를 주행할 수 있는 모델로 나뉘었는데 6,082cc 4기통 엔진을 얹었다. 코르사는 휠베이스가 짧은 동시에 가벼웠기 때문에 73마력에 최고속력 137km/h, 일반 모델은 70마력에 125km/h까지 낼 수 있었다. 1년 뒤인 1914년에는 밀라노의 백작이었던 마르코 리코티가 40/60 HP를 가지고 물방울 모양의 자동차를 만드는 것을 지시했는데, 이렇게 나온 자동차가 알파로메오 40/60 HP 에어로다이나미카(Aerodinamica)다. 40/60 HP와 동일한 엔진을 얹었지만, 최고속력은 139km까지 낼 수 있었다. 레이스카인 코르사와 달리 지붕이 씌워지며 무게가 늘어났지만, 더 빨리 달릴 수 있었던 건 물방울 모양의 유선형 디자인 덕이었다. 알파로메오 40/60 에어로다이나미카는 최초의 유선형 자동차였던 동시에 유선형으로 차를 만들면 더 빨리 달릴 수 있다는 것을 증명해 보인 것이다.

구분

비행기

비행기를 빠른 속도로 미는 추진력은 비행기 엔진에서 나오고, 비행기가 하늘을 날 수 있도록 띄우는 힘은 비행기 날개에서 나온다. 새처럼 깃털이 달려 있거나 날개를 퍼덕이지 않는데도 큰 비행기를 하늘로 띄울 수 있는 비결은 날개의 구조에 숨어 있다. 비행기 단면을 잘라보면 아래는 평평하고 위가 볼록한, 앞부분은 뭉툭하고 뒷부분은 날렵한 유선형 모양이다. 유선형 모양으로 인해 날개 위쪽이 볼록해 위쪽에서는 공기가 빠르게 흐르고, 공기의 흐름이 빨라지면서 기압도 낮아진다. 반면 날개 아래쪽으로 흐르는 공기는 상대적으로 속도가 느려지고 기압이 높아져 날개를 위로 미는 힘이 생긴다. 즉, 유체의 속도가 빠른 곳에서는 압력이 낮고 유체의 속도가 느린 곳에서는 압력이 높은 것이다. 날개 위쪽을 흐르는 유체는 날개의 아래쪽을 흐르는 유체보다 더 먼 거리를 진행한다. 따라서 날개 위쪽의 속도가 더 빠르다. 유선형의 비행기 몸체는 항력과 직결된다. 비행기를 유선형으로 제작하는 이유는 항력을 최소화하기 위해서이다. 추력이 항력보다 크면 속도가 증가하고, 추력이 항력보다 작으면 속도가 줄어들게 된다. 이미 1920년대에는 각이 지고 뼈대가 있는 기존의 동체로는 바람의 저항을 극복하기 어렵다는 사실을 알았다. 이에 따라 동체를 유선형의 부드러운 곡면으로 대체하고 냉각을 위해 노출했던 엔진에 유선형 덮개를 씌우려는 시도가 계속해서 이루어졌다. 마침내 1935년 12월 17일 DC-3가 첫 비행에 성공했다. DC-3는 각진 면과 날개 지지대 같은 직선은 사라지고, 동체는 유선형으로 앞부분부터 뒷부분으로 이어진 형태를 나타냈다. 유선형의 더글러스 DC-3는 많은 인원을 한 번에 수송하는 항공기의 시초였다.

자동차

자동차의 세기로도 불리는 20세기가 시작되면서 항력에 효과적인 유선형의 자동차가 등장하기 시작했다. 비행기의 공기역학적 진화는 자동차 제조사에도 큰 자극을 주었다. 제1차 세계대전이 끝난 뒤 항공기 엔지니어들은 상자형 자동차에서 벗어나 공기저항을 줄이고자 물방울처럼 보이는 자동차를 개발하기도 했다. 본격적인 유선형 자동차는 1930년대에 미국에서 실현되었다. 1934년부터 생산되기 시작한 크라이슬러(Chrysler)의 에어플로(Airflow)는 당시로써는 파격적이고 혁신적인 유선형의 디자인으로 큰 주목을 받았다. 이후 1950년을 분기점으로 네 바퀴와 앞뒤 라이트가 차체 밖으로 튀어나온 상자 모양에서 바퀴와 라이트가 차체 속으로 들어가 차체가 넓고 낮은 유선형으로 점점 발전했다. 갑충형 디자인의 단점인 공기저항을 줄이기 위해 생겨난 유선형 자동차는 오늘날 유행하고 있는 보트형 자동차의 시초가 된다. 이 시기 미국에서는 전투기의 몸체와 꼬리 모양을 이용해 화려함을 추구한 꼬리날개형(Tail fin) 디자인이 유행했으며, 유럽에서는 성능과 경제성을 높이기 위해 차체가 낮아지고 창문의 각도가 좁아지는 등 공기저항을 적게 받기 위한 디자인이 주류를 이루었다. 비행기만큼이나 자동차는 성능과 직결되기 때문에 공기저항과 관련이 깊다. 공기저항을 적게 받는 차는 그만큼 고속에서 안정적이고 연비도 우수하다. 자동차의 차체를 최대한 유선형에 가깝게 디자인하는 것은 기본이며, 공기의 흐름과 저항을 다스리기 위한 첨단 장비들이 진화하기 시작했다. 자동차 디자인이 저항을 줄이기 위해 유선형의 모양이 되면서 자동차에도 양력이 발생하기 시작했다. 자동차의 모양이 유선형에 가까워질수록 비행기 날개의 단면과 비슷해지기 때문이다. 자동차의 위쪽으로 지나는 공기와 아래쪽을 지나는 공기의 속력 차가 생기면서 압력 차이가 생긴다. 이렇게 발생한 양력은 자동차에 악영향을 준다. 자동차가 양력을 받게 되면 바퀴와 지면이 접촉하는 면적이 작아져 앞으로 나아가는 힘을 제대로 받지 못해 조정성이 나빠진다. 또한 속력이 지나치게 빨라져 양력이 강해지면 차가 뒤집히는 경우도 발생한다. 스포츠카나 일반 승용차의 뒤편에 날개 모양의 스포일러가 달린 것을 볼 수 있는데 이 스포일러를 통해 양력을 줄일 수 있다. 스포일러의 모양은 비행기 날개와 비슷하지만 다른 점이 있다. 바로 부풀어있는 쪽이 아래쪽이라는 것이다. 비행기 날개를 뒤집어서 붙인 거라 생각할 수 있다. 스포일러에서 생기는 양력은 지면을 향하기 때문에 자동차의 모양 때문에 생기는 양력을 줄여주는 효과가 있다. 즉, 자동차가 고속으로 달릴 때 자동차를 눌러주는 역할을 한다. 따라서 유선형 디자인은 자동차에서는 스타일 문제이기 전에, 물리적 저항을 완화하는 기능적 형태이다. 즉, 유선형은 차체 디자인에서의 추상성을 높여주는 요소이다. 그러나 유선형이 사용되지 않는 박스형 차량도 여전히 존재한다.

참고자료

• 〈유선형〉, 《네이버 지식백과》
• 영현대, 〈더 빠르게, 더 안정적으로! 자동차의 공기역학적 디자인의 의미〉, 《영현대》, 2018-01-23
• 한국항공우주연구원, 〈공기저항을 뚫기 위한 필살기 '유선형'〉, 《네이버 블로그》, 2019-11-14
• 그린채널, 〈유선형 디자인이란? Streamlining (1930~1950)〉, 《그린컴퓨터아카데미》, 2020-08-03
• 문둘리, 〈최초의 유선형 자동차는 어떻게 만들어졌을까? 알파로메오 40/60 HP 이야기〉, 《네이버 포스트》, 2018-04-03
• 카구즈, 〈(칼럼)19~20세기 자동차 변천사를 알아보자〉, 《네이버 포스트》, 2020-05-15
• 김태현 기자, 〈자동차 디자인에 숨은 공기역학〉, 《서울시립대신문》, 2011-03-14
• 글로벌오토뉴스, 〈산업디자인의 꽃, 자동차 디자인〉, 《네이버 포스트》, 2018-07-02

같이 보기

• 유체
• 저항
• 공기저항
• 바디라인

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