[자전거][정보] 에어로 효과의 진실

wonki33 (55)in #kr-bicycle • 9 years ago (edited)

휠셋을 마빅 알시스로 바꾼 뒤 고속 항속이 좀 힘들다고 느껴 이것이 선입견에 의한 것인지 진짜 에어로가 안좋은 것인지 검색을 해봤습니다.

해외 포럼에서도 대부분 알시스는 평지에선 낙하산이다. 측풍에 취약하다(?) 등의 평이 대부분이었는데
마빅측의 사람이 흥미로운 답글을 달더군요. “낮은 yaw angle 에서는 오히려 에어로 효과가 뛰어나다.” 라는 것이었습니다.

로우림이 측풍에 취약하다라는 사용자평도 재밌었는데 에어로 효과가 더 뛰어나기도 하다니…
이게 무슨 뜻일까 하고 yaw angle 에 대해 찾아 보기 시작했습니다.

혹시 휠이나 프레임 에어로 검색하면서 위와 같은 그래프를 보신적 있으신가요? (왼편은 휠셋, 오른편은 프레임)
만일 그렇다면 위 그래프가 어떤 의미인지 정확하게 아시나요?
저는 단순히 drag 가 특정 구간에 낮게 되어 있는 것이 에어로가 좋구나 라고만 생각했습니다.

그러다 우연히 다음 사이트를 보게 됐는데 yaw angle 과 자전거의 aerodynamics 에 대해 잘 설명이 되어 있더군요.
번역을 하는 것은 재미없고 제가 이해한 바에 의해 가능한 쉽게 적어보겠습니다.
http://www.cyclingpowerlab.com/yaw.aspx

yaw angle 이란

yaw angle 은 항공학에서 나오는 개념으로 항공기가 수직 축을 기준으로 좌우로 움직이는 각도를 의미합니다.
하지만 자전거에서는 자전거가 정지해 있다고 가정하고 불어오는 바람의 각도를 의미한다고 생각하시면 됩니다.

그럼 여기에서 의미하는 바람의 개념을 먼저 알아야 합니다.

자전거를 탈 때 발생하는 바람은 2가지 입니다.
첫번째는 자연에서 불어오는 바람입니다. 자연바람이라고 하겠습니다.
두번째는 바람이 없다고 가정할 때 자전거가 앞으로 움직이기 때문에 느끼는 바람입니다. 이것을 저항바람이라고 하겠습니다.

저항바람은 항상 직진(0도)으로만 발생합니다. 반면 자연바람은 다양한 각도에서 발생합니다.
이 두 개의 바람의 각도를 속도에 가중치를 두어 평균을 낸게 라이더가 느끼는 전체 바람의 각도 즉, yaw angle 이 됩니다.

일반적으로 저항바람의 속도(자전거의 속도)가 자연바람의 속도보다는 빠르기 때문에
yaw angle 은 실제 자연바람의 각도보다 대부분 작아지게 됩니다.

연구에 따르면 라이딩 중에 대부분 전체 바람 yaw angle의 2/3는 10도 미만이며
나머지1/3은 10도에서 20도에 해당합니다. 즉, 20도 이상의 경우는 거의 없습니다.

그러면 yaw angle 을 크게 결정하는 3가지 요소와의 상관관계를 정리하면…

자전거 속도가 느릴수록(저항바람이 적을수록) yaw angle 은 커지고 빠를수록 작아집니다.
자연바람의 각도가 클수록(측풍일수록) yaw angle 은 커지고 작을수록 yaw angle 도 작아집니다.
자연바람의 속도가 빠를수록 yaw angle 은 커지고 느릴수록 작아집니다.

고속일수록 에어로 효과가 크다?

흔히 하이림의 효과는 고속일수록 더 체감한다고 합니다. 과연 맞을까요?
제 대답은 틀렸지만 맞다 입니다. 말장난 하지 말라고요? ㅎㅎ

우선 아래 bontrager 에서 행한 몇몇 휠셋에 대한 에어로 데이터를 봅시다.

낮은 yaw angle 에서는 림높이에 따른 drag(g) 의 차이가 별로 없습니다. 하지만 7.5도 정도가 넘어가면서 차이가 커집니다.

위에서 자전거 속도가 빠를수록 yaw angle 은 작아진다고 했습니다.
그러면 고속에서 하이림의 에어로 효과는 오히려 별로 없다는 것이 맞게 됩니다.

예를 들어 위 링크에 있는 yaw angle 계산기에 따르면…
흔히 우리가 한강에서 느끼는 초속 2 정도(시속 7.2)의 바람을 가정하면…
yaw angle 이 7.5도가넘는 경우(drag 차이가 꽤 나는 경우)는 자연 바람의각도가
시속 50km 일 때는 약 73도에서 122도(49도 간격) 사이가됩니다.
시속 40km 일 때는 약 54도에서 141도(87도 간격) 사이가됩니다.
시속 30km 일 때는 약 40도에서 154도(114도 간격) 사이가됩니다.
시속 20km 일 때는 약 29도에서 166도(137도 간격) 사이가됩니다.

즉, 속도가 낮을수록 에어로 효과를 볼 수 있는 자연바람의 각도가 더 넓어지게 되는 겁니다.

그럼 왜 속도가 높을수록 에어로 효과를 본다는 통념이 생긴 걸까요? 그 이유는 아마 다음과 같을 겁니다.

위 표를 보면 시속 20km(12.5마일) 의 경우 drag 10g 당 파워가 0.13w 정도 더 필요합니다.
반면 시속 40km(25마일)의 경우 약 0.75w가 더 필요합니다.
즉, 저속에서는 100g 의 drag이 더 생겨도 고속의 20g 보다 힘이 덜 들게 됩니다.
최대파워로 시속 40km를 달릴 수 있는 사람은 아무리 drag가 커도 시속 20km 의 경우 파워 1.3w 정도는 별 차이를 못느끼지만
이미 최대파워로 달리는 시속 40km 에서의 1.4w 는 누적되면 제법 차이를 느끼게 합니다.
따라서 고속에서 에어로 체감효과가 좋다고 생각하게 됩니다.

시사점

그러면 우리의 경우 에어로 프레임 혹은 에어로 휠셋(하이림)을 선택할 때 기준을 생각해 봅시다.
물론 “간지” 때문이라고 하면 위 모든 게 다 불필요해집니다. ㅋㅋ

하지만 “속도”의 측면에서 현명한 선택을 한다면…

파워가 약해서 낼 수 있는 속도가 낮을수록 하이림 & 에어로 프레임의 효과가 더 커지게 됩니다.
-> 파워가 약한 사람은 낼 수 있는 속도가 낮고 또한 작은 Watt 의 차이도 꽤 체감이 됩니다.
파워가 강한 사람일수록 로우림or 미들림 & 경량 프레임으로 무게를 가볍게 하는 것이 더 나을 수 있습니다.
-> 평지 위주로 달리는 TT 나 철인경기가 아니라면 대부분 언덕이 포함됩니다.
평지 고속에서는 yaw angle 이 낮아져 하이림의 효과가 약해지니
차라리 적당한 수준의 에어로에 무게를 가볍게 하는 것이 더 유리할 수 있습니다.
하이림은 측풍에 약한 것이 아니고 통제만 잘 된다면 오히려 속도가 더 잘 납니다.
-> 측풍이 강할 수록 yaw angle 은 커집니다. 따라서 하이림의 에어로 효과가 더 극대화 됩니다.
통념과 다르게 측풍에 속도가 안나는 것은 오히려 로우림입니다.
휠셋 및 프레임의 에어로는 라이딩의 2/3에 해당하는 10도 이하의 yaw angle 에서 효과가 좋은 것에 집중합니다.
-> 실제 10도 이상의 경우는 평지 위주일수록 겪는 경우가 적습니다.
업힐은 낮은 속도로 yaw angle 이 커질 수 있지만
업힐은 중력의 힘(무게)이 절대적이기 때문에 에어로 효과는 극히 미미합니다.
물론 휠셋의 에어로 효과는 림의 높이 외에 림 형상, 스포크 개수, 타이어와 림의 너비 차이 등 여러 가지에 의해 결정됩니다.
가능한 메이커나 리뷰사이트 등에서 제공하는 yaw angle 에따른 drag 데이터를 참조하시는 것이 도움 되실 겁니다.

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(추가)
공지가 되어 버렸네요...파워가 약하니깐 하이림 써야 겠다는 댓글이 많아 제 의도와 달라서 혹시나 하는 노파심에 추가합니다.
우선 말씀드리고 싶은 것은 자전거가 전체 속도에 미치는 영향은 라이더의 역량에 비해 아주 미미합니다.
파워가 약한 동호인에게 에어로 휠셋, 프레임의 효과가 더 있는 건 맞겠지만 상대적인 것이지 절대적인 차이는 아닙니다 ;;

그래도 그 효과가 어느 정도일지 대~~~~~충 계산해봤습니다. (정말 대충 주먹구구식입니다.)
비교는 Aeolus 3 와 Aeolus 7 으로 했습니다.

두 휠의 평속 30km 와 평속 40km 의 평균 drag 차이는 아주 대~충 각각 80g 과 60g 으로 정했습니다.
이 경우 절감되는 파워(w)의 수치가 같습니다. 근데 아마 평속 30km 라이더가 겪는 평균 drag는 더 클 수도 있습니다.
따라서 제가 계산한 것은 파워가 약한 라이더에게 조금은 불리하게 계산되었습니다.

그리고 두 휠의 무게 차이는 305g 인데 확실한 연구는 없지만 휠의 무게는...
다른 무게보다 가중치가 있어야 한다고 합니다. 그래서 대~충 500g 의 차이라고 가정했습니다.

또한 속도 계산에서 참고로 했던 계산기는 다음과 같습니다.
http://bikecalculator.com/veloMetric.html
http://www.u.arizona.edu/~sandiway/bike/climb.html

평지 평속 30km 라이더 vs. 평지 평속 40km 라이더의 무풍 평지에서 에어로 효과 (몸무게 70kg)
두 라이더가 Aeolus 3 휠셋 기준 각각 1시간씩 무풍 평지를 달렸다고 가정할 때...다른 모든 조건이 동일하다면

평속 30km 라이더(평균파워 173.3w)의 기록은 Aeolus 7 휠셋이 Aeolus 3 휠셋 보다 약 49초 단축됩니다.
평속 40km 라이더(평균파워 376.5w)의 기록은 Aeolus 7 휠셋이 Aeolus 3 휠셋 보다 약 22초 단축됩니다.

평지 평속 30km 라이더 vs. 평지 평속 40km 라이더의 6% 경사 업힐에서 500g 감량 효과 (몸무게 70kg)
두 라이더가 Aeolus 7 휠셋 기준 각각 1시간씩 6% 업힐을 달렸다고 가정할 때...다른 모든 조건이 동일하다면

평속 30km 라이더(평균파워 173.3w)의 기록은 Aeolus 3 휠셋이 Aeolus 7 휠셋 보다 약 46초 단축됩니다.
평속 40km 라이더(평균파워 376.5w)의 기록은 Aeolus 3 휠셋이 Aeolus 7 휠셋 보다 약 29초 단축됩니다.

정말 대충 계산한 것이니 심한 지적은 자제해 주세요. ㅜㅜ (사실 정확하게 계산하는 것은 거의 불가능합니다.)

그냥 생각해 볼 수 있는 것은...

굇수일수록 기기 영향은 오히려 적다. 업글 체감이 적다고 하는 사람은 굇수일 가능성이 크다. ㄷㄷㄷ
굇수일수록 감량에서 오는 효과가 에어로 보다 미미하지만 더 나을 수 있다.
엔진이 약할 수록 겪는 평균 yaw angle 이 커져 에어로 효과가 더 좋겠지만 반면 속도가 느려 측풍에 대한 대비가 힘들 수 있다.
-> 순풍+측풍 보다 역풍+측풍 이 더 컨트롤하기 어려운 것과 일맥상통합니다. 컨트롤이 어려우면 결국 하이림의 속도는 느려집니다.
흔히 별것 아니라고 생각하는 평속 30km 와 40km 는 필요파워가 넘사벽이다. ㄷㄷㄷ

이 모든 것을 감안하더라도 자전거 장비에 따른 체감 효과는 엔진 업글에 따른 체감 효과보다는 엄청 낮습니다.
그리고 지극히 제 개인적인 의견은...동호인은 여러가지를 고려할 때 로우-미들림 클린처 정도가 적당하지 않나 합니다.
물론 여력이 있으신 분은 하이림, 미들린, 로우림 구입하셔서 상황에 따라 번갈아 쓰시면 됩니다. ;;

뽐뿌 자전거 포럼에 좋은글이 있어 가져왔습니다.
출처:http://www.ppomppu.co.kr/zboard/view.php?id=bike&page=1&divpage=67&no=209980