사람의 주기는 얼마나 빠를 수 있나요?

영국의 사이클리스트 닐 캠벨은 최근 시속 280km의 놀라운 속도로 남자 '슬립스트림에서 가장 빠른 자전거' 신기록을 세웠습니다.

닐 캠벨의 기록 경신 이 기록은 견인 차량의 도움으로 사이클리스트의 속도를 끌어올린 후 자전거에서 내려 200m 거리에서 라이더의 시간을 측정하는 것입니다. 2018년 9월 유타주 보네빌 솔트 플랫에서 드래그스터에 의해 견인된 데니스 뮬러-코레넥이 세운 시속 296km의 최고 기록입니다. 하지만 이러한 빠른 사이클링 속도는 인간의 능력에 얼마나 기인할 수 있을까요? 최고 수준의 선수가 출발 후에도 그 속도를 유지해야 할까요, 아니면 차량이 모든 노력을 다하는 것일까요? 그렇다면 더 빠른 기록이 가능하다는 뜻일까요? 캠벨의 남자 신기록에 관련된 에너지 공급과 수요를 고려하면 인간과 기계의 상대적인 기여를 이해할 수 있습니다. 이 기록의 경우 에너지는 자동차의 연료 연소와 사람의 힘에서 모두 나옵니다. 주어진 속도를 유지하는 데 필요한 힘은 라이더의 앞으로 나아가는 움직임에 작용하는 저항력에 따라 달라집니다. 일정한 속도의 평평한 코스에서는 두 가지 핵심 요소가 있습니다:

• 공기 역학적 저항, 공기 역학적 항력이라고도 함
• 구름 저항은 바퀴와 도로 사이의 마찰, 휠 베어링의 마찰, 페달에서 체인을 거쳐 바퀴로 전달되는 동력 전달 효율을 광범위하게 포괄합니다.

결정적으로 공기저항은 공기 속도의 제곱에 따라 증가하므로 속도가 증가함에 따라 매우 빠르게 증가합니다. 반면 구름 저항은 속도에 따라 선형적으로 증가하므로 속도가 빨라질수록 훨씬 덜 빠르게 증가합니다. 모나쉬 대학교의 모나쉬 휴먼 파워 팀의 수석 시스템 엔지니어인 벤자민 틸레는 이를 다음과 같이 설명합니다:

기본적으로 빠른 사이클을 원하고 물리에서 저항력 중 하나를 제외할 수 있는 옵션이 있다면 공기 역학적 요소를 제거하는 것이 현명합니다.

이를 맥락에 맞게 설명하자면, 엘리트 레벨의 트랙 사이클링(뒤에 숨을 차가 없는 곳!)에서는 일반적으로 공기 역학적 저항이 전체 저항력의 약 95%를 차지합니다. 따라서 캠벨의 기록 도전에서 견인 차량은 두 가지 중요한 면에서 큰 도움이 되었습니다. 첫째, 견인 차량은 캠벨의 속도를 높여주어 가속 시 에너지 소비를 줄여주었습니다. 둘째, 차량의 슬립스트림 부착물(기본적으로 스포일러와 텐트 사이의 교차점이며, 캠벨이 주행하는 동안 그 뒤에 위치했습니다.)은 어지러운 속도에서 극복할 수 없는 공기 역학적 저항을 상당 부분 제거했습니다. 차량의 후미를 따라 라이딩하면 라이더는 낮은 상대 풍속과 낮은 공기 저항을 모두 경험할 수 있습니다. 실제로 라이더의 위치가 올바르다면 차량의 후미에서 발생하는 공기 흐름이 실제로 추진력 있는 공기역학적 힘을 생성할 수 있습니다. 즉, 차량이 뒤쪽으로 공기를 '끌어당기면서' 라이더도 함께 빨려 들어갈 수 있습니다. 견인 해제 후에도 속도를 유지하는 데 필요한 체력적 요구는 어떻게 되나요? 이는 주로 사용되는 기어의 크기와 극복해야 하는 구름 저항에 따라 달라집니다. 제 계산에 따르면 견인 차량 뒤의 공기 저항이 무시할 수 있는 수준이라고 가정했을 때, 시속 300km(남자 및 여자 슬립스트림 기록의 다음 큰 이정표)를 달성하려면 라이더는 200m의 타임 트랩을 통과하는 데 걸리는 2.4초 동안 600~700와트의 출력을 유지해야 합니다. 투르 드 프랑스 라이더들이 1분 이상 1,000W 이상의 출력을 낼 수 있다는 점을 감안하면 충분히 달성 가능한 기록으로 보입니다. 따라서 라이더의 신체 능력보다는 견인 차량이 더 중요한 요소입니다. 실제로 라이더가 시속 300km까지 견인된 후 슬립스트림에서 빠져나올 경우, 이 속도를 유지하기 위해 필요한 에너지는 100킬로와트 정도이며, 이는 고성능 모터사이클의 성능과 비슷합니다!

비보조 사이클링 기록은 어떻게 되나요?

공기저항을 극복하는 것이 매우 중요하다는 점을 고려하면 엘리트 사이클링 팀이 공기역학 연구 개발에 많은 투자를 하는 것은 당연합니다. 사실 기존 자전거와 라이딩 포지션의 공기역학은 최적과는 거리가 멀었습니다. 이는 기존 자전거의 속도와 '공정한 리컴번트 인간 동력 차량'의 속도를 비교해보면 분명하게 알 수 있습니다. 이 자전거는 페어링이라고 불리는 공기역학적 덮개 안에 라이더가 페달을 앞쪽에 두고 누운 자세로 타는 개조형 자전거입니다.

현재 200m 거리에서 이러한 차량의 속도 기록은 시속 144km입니다. 이는 기존 트랙 자전거로 벨로드롬 스프린트를 할 때 달성하는 최고 속도보다 약 2배 빠른 속도입니다. 모나쉬 대학교의 풍동 연구 시설 매니저인 데이비드 버튼은 장비 설계와 라이더 포지션 측면에서 스포츠의 규칙과 제약을 고려할 때 엘리트 사이클링은 "공기역학을 통해 경쟁 우위를 확보하는 데 있어 이미 한계에 다다랐다"고 말합니다. 하지만 그는 "첨단 실험 테스트 기술과 사이클리스트 주변의 유동장에 대한 고해상도 수치 시뮬레이션" 등 성능 향상을 위한 첨단 연구 분야가 여전히 존재한다고 덧붙입니다.

위에서 살펴본 바와 같이 슬립스트림 어시스트 사이클링의 경우 더 빠른 속도를 낼 수 있는 잠재력이 여전히 존재합니다. 차량의 후미에 둘러싸여 시속 400km에 육박하는 속도를 달성하는 것은 현재 엘리트 수준의 인간 능력의 영역 내에 있다고 생각합니다. 그렇다면 결국 도전은 심리적인 문제가 될 것입니다. 누가 감히 도전할 수 있을까요? 티모시 크라우치, 실험 공기역학자, 모나쉬 대학교 이 글은 크리에이티브 커먼즈 라이선스에 따라 더 컨버세이션에서 다시 게시되었습니다. 원본 기사 읽기.