자전거 피팅의 이론적 배경 - 저항

자전거 피팅의 이론적 배경 - 저항

 

저항(Resistance)

공기저항(마찰저항, 형태저항), 기계적저항, 구름저항으로 나뉩니다.

■ 공기저항

공기 저항은 다시 두 가지로 나뉩니다. 마찰저항과 형태저항이 그것입니다.

공기저항은 속도의 제곱에 비례하기 때문에 속도가 증가할수록 전체저항에서 차지하는 비중이 높아집니다. 바람 없는 평탄한 도로에서 속도가 44km/h라면 공기저항은 전체저항에서 85% 정도를 차지합니다. 사람과 자전거의 조건은 아래처럼 가정합니다.

몸무게 : 75kg, 자전거무게 : 9kg

몸의 표면적 : 1.8㎡,

주행 자세에서 몸의 정면표면적 : 0.45㎡

           공기저항 구하는 공식

              W = p/2.Cw.A.V2
                 P = 공기밀도(air density)
                 C_w= 항력계수(drag coefficient)
                 A = 전면부면적(frontal area)
                 V = 속력(speed)

 1.1. 마찰저항(Frictional Resistance)

유체(공기) 속에 있는 물체(사람과 자전거)의 표면에 작용하는 마찰저항을 말합니다. 유체가 점성을 가지므로 점성저항이라고도 합니다. 자전거의 속도가 빨라지면 속도의 제곱보다 조금 작게 마찰저항도 증가합니다. 옷이나 헬멧 등을 매끈한 것으로 입으면 마찰저항은 줄어들지만 전체 저항에서 차지하는 비중이 매우 작으므로 동호회 수준의 활동에서는 신경 쓰지 않아도 됩니다.

1.2. 형태저항(Shape Resistance)

자전거 저항에서 가장 중요한 저항입니다. 자전거를 탈 때 사람의 앞공기는 압축되고 사람의 뒤공기는 소용돌이가 일어나며 빨려 들어가듯 하는데 이 힘이 변합니다. 이는 사람의 앞뒤의 압력의 차이를 번갈아 변화시키게 되는데 이것이 저항이 됩니다. 저항의 크기는 진행하는 방향의 수직 방향으로 정면 표면적의 크기와 몸의 형태(유선형)에 좌우됩니다. 형태저항에서 자전거의 저항이 25%, 사람의 저항이 75%이다. 자전거의 유선형화는 56km/h 이상의 속도에서 효과가 있다는 주장도 있지만 그보다 낮은 속도에서도 체감한 이들이 많다고 합니다.

좋은 공기역학적인 자세는 여러 가지 요소들(속도 등)에 따라 다르고 사람마다 다릅니다. 일반적으로 몸통은 수평상태가 좋습니다. 엉덩이 윗부분과 어깨의 끝이 수평인 상태가 공기저항이 가장 작습니다. 상체가 10도 세워짐에 따라 속도는 1km/h 씩 또는 2.5%(Van Ingen Schenau 1985)씩 감소합니다.

  

                               <High-Tech Cycling(1996)에서 발췌>

 

역주

(1)  위 그래프는 바람 없는 평탄한 도로에서 측정된 값입니다. 맞바람이 시속 10km/h로 불어온다면 같은 힘으로 나아갈 수 있는 속도는 당연히 떨어집니다.

(2) 오르막에서 속도가 13km/h라면 공기저항과 기계적저항이 거의 같고 전체 사용되는 힘에서 이에 소모되는 비율은 5% 전후가 될 것입니다. 나머지 95% 전후의 힘은 중력을 극복하는데 사용됩니다. 예를 들어, 경사도 2%(1.15도)의 오르막을 시속 30km/h의 속도로 오른다면 평지를 시속 30km/h를 갈 때보다 대략 2배의 힘이 듭니다. (자전거+사람 : 78kg 가정)

(3) 공기저항을 최소로 하면 허리가 접히게 되는데 이는 심장에 더 부담을 주게 됩니다. 결국 경험을 통해 중간값을 찾아야 합니다. 그래서 등은 펴고 허리는 둥그렇게 하는 자세가 좋습니다.

사람에 대한 공기저항 외에 자전거에 대한 공기저항도 있습니다. 원형보다는 타원형의 부품이 공기저항이 작습니다.

 

■ 기계적 저항(Transmission Resistance)

자전거를 구성하는 부품에서 발생하는 저항입니다. 체인, 휠, 스프라켓, 베어링 부품의 저항이죠. 품질 좋은 그리스와 체인오일을 사용하고 정비를 자주 정교하게 한다면 이 저항을 줄일 수 있습니다. 기계적 저항은 전체저항에서 3%~5% 정도 차지하며 속도가 증가해도 크게 변하지 않습니다.

 

■ 구름저항(Roll Resistance)

구름저항은 타이어의 형태와 변형(눌림)에 의해 생기는데 타이어의 트레드, 사람과 자전거의 무게로 인한 타이어의 변형, 그리고 노면 상태에 따라 달라집니다. 구름저항은 속도가 증가함에 따라 선형적으로 조금 증가합니다. 바람 없는 평탄한 도로에서 속도가 44km/h라면 구름저항은 전체저항에서 12% 정도 차지합니다.