# 사이클 공기역학과 물리학 · 트라이애슬론, 레벨 8: 전문가

트라이애슬론 · 레벨 8: 전문가 · Insporta Book (https://book.insporta.app/ko/triathlon/level-8/cycling-aerodynamics-and-physics/)

사이클 공기역학과 물리학: 사실 100개, 테스트 10개.

자전거 속도 뒤의 물리학을 다룹니다. 파워 방정식, 공기 밀도, 수치로 보는 CdA, 경계층과 표면, 항력 측정 방법, 뒤따르기, 오르막과 경사, 바람, 운동 에너지, 속도-파워 계산입니다.

## 테스트 1: 사이클 파워 방정식

- 검증된 마틴의 모델은 공기 저항, 구름 저항, 베어링 손실, 드라이브트레인 손실에 더해 경사로의 중력 항과 운동 에너지 변화를 합산합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 항력 = 0.5 × 공기 밀도 × CdA × v의 제곱이므로, 공기 속도가 두 배가 되면 힘은 네 배가 됩니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 파워는 힘 곱하기 속도이므로, 공기 저항에 드는 파워는 v의 세제곱에 비례합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 공기 저항 파워는 속도의 세제곱에 비례하므로, 2 × 2 × 2 = 8배의 파워가 필요합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 평지의 레이스 속도에서는 공기 저항이 지배적이며, 구름 저항과 드라이브트레인 손실이 나머지를 차지합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 구름 저항의 힘은 대체로 일정하므로, 그것이 흡수하는 파워는 속도에 거의 선형적으로 늘어납니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 이 모델은 측정된 파워 변동의 약 97%를 설명했으며, 오차는 몇 와트에 불과했습니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 공기 밀도(rho)는 고도, 기온, 기압, 습도에 따라 달라지며, 선수에 따라 달라지지 않습니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- CdA는 무차원 항력 계수와 면적을 곱한 값이므로 제곱미터로 나타냅니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 1.1의 세제곱은 약 1.33이므로, 필요한 파워 중 공기 저항 부분은 대략 3분의 1 늘어납니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## 테스트 2: 공기 밀도와 환경 조건

- 표준 대기는 해수면, 15°C에서 약 1.225 kg/m3입니다. (출처: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- 해수면 부근에서는 고도가 1킬로미터 높아질 때마다 공기 밀도가 약 10분의 1씩 줄어듭니다. (출처: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- 멕시코시티의 고도에서는 공기 밀도가 낮아 항력이 충분히 줄어, 산소가 부족한 불리함을 상쇄했습니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 항력은 밀도와 함께 줄지만 최대 유산소 파워도 함께 떨어지므로, 최종 효과는 고도와 경기 길이에 따라 달라집니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 밀도는 절대온도에 반비례하므로, 뜨거운 공기는 항력이 약간 더 적습니다. (출처: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- 278 K에서 308 K로 올라가면 밀도가 약 10% 낮아지고, 같은 속도에서 공기 저항 파워도 같은 비율만큼 줄어듭니다. (출처: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- 수증기는 그것이 밀어내는 질소와 산소보다 가벼우므로, 습한 공기는 밀도가 약간 더 낮습니다. (출처: International Standard Atmosphere (ISO 2533))
- 같은 파워와 CdA에서는 더운 날씨의 낮은 공기 밀도 덕분에 더 높은 속도를 낼 수 있으므로, 구간 기록을 그대로 비교할 수 없습니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 측정된 항력에는 CdA와 공기 밀도가 모두 반영되어 있으며, 둘을 분리하려면 기온, 기압, 습도가 필요합니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 파워가 밀도 × v의 세제곱에 비례하므로, 속도는 1/0.9의 세제곱근만큼, 즉 약 3.5% 올라갑니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## 테스트 3: 수치로 보는 CdA

- 윈드터널과 트랙 데이터에 따르면 최상위 타임트라이얼 선수의 CdA는 대략 0.20~0.23 m²입니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 상체를 세운 로드 자세는 최고의 타임트라이얼 자세에 비해 항력 면적이 대략 두 배가 됩니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 0.5 × 1.225 × 0.01 × (11.1 m/s)의 세제곱은 약 8 W입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Cd는 형상과 흐름의 거동을 반영하며, 여기에 전면 면적을 곱하면 CdA가 됩니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 에어로 자세를 취한 선수의 투영 전면 면적을 측정하면 대개 0.3~0.4 m² 안팎입니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 공기가 몸 주위를 얼마나 매끄럽게 흐르는지, 즉 Cd 부분은 자세, 의류, 체형에 따라 달라집니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 레이스 속도에서 몇 와트를 아끼면 누적 효과가 큽니다. 180 km에서는 CdA를 조금만 개선해도 몇 분의 가치가 있을 수 있습니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 와트 절감량은 작더라도, 코스에 더 오래 머무를수록 킬로미터당 절약되는 시간(초)은 더 큽니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 윈드터널은 흔히 기준 속도에서의 항력을 제시하며, 이는 밀도와 속도를 이용해 CdA로 환산됩니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 0.01 m²마다 40 km/h에서 약 8 W이므로, 0.02 m²는 대략 16 W에 해당합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## 테스트 4: 경계층과 표면

- 표면 바로 옆의 공기는 마찰로 느려지면서 얇은 경계층을 이루고, 이 경계층의 거동이 항력을 좌우합니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 난류 경계층은 박리에 잘 견뎌 박리를 늦추고, 저압의 후류를 더 작게 만듭니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 골프공의 딤플처럼, 표면 질감은 팔 같은 원통형 부위에서 난류로의 전이를 더 일찍 일으킬 수 있습니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 임계 레이놀즈 수에서 경계층이 난류가 되면 항력이 급격히 떨어지는데, 이를 항력 위기라고 합니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 이는 속도, 크기, 유체 점성에 따라 정해지며 흐름이 층류인지 난류인지를 예측합니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 사이클 속도에서 뭉툭한 형상은 표면이 매끄러우면 층류 경계층이 유지되어 일찍 박리되고, 그 결과 항력이 커질 수 있습니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 이들의 2014년 시험에서는 다리털을 제거하면 항력이 몇 퍼센트 줄었으며, 40 km에서 약 50~80초를 줄이는 것으로 추정되었습니다. (출처: Specialized Win Tunnel, 2014)
- 캄테일 설계는 흐름에 이점이 거의 남지 않는 꼬리 부분을 잘라 내어 무게와 측면 힘을 줄입니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 질감마다 특정 레이놀즈 수에서 전이가 일어나므로, 수트는 예상되는 레이스 속도에 맞춰 조율됩니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 펄럭이는 소재는 불안정한 박리 흐름을 만들어, 작은 면적에 비해 항력을 더 키웁니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)

## 테스트 5: 공기역학적 항력 측정

- 윈드터널은 공기 속도와 요(yaw)를 통제하므로 작은 차이도 측정하고 반복할 수 있습니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 파워 측정을 하며 실내 트랙에서 일정한 속도로 달리면 바람의 영향이 거의 없는 상태에서 CdA를 추정할 수 있습니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- CdA와 Crr이 정확하면 모델링한 고도 프로필이 실제 도로와 일치하므로, 일치할 때까지 값을 조정합니다. (출처: Chung, Estimating CdA with a power meter (2012))
- CFD는 흐름 방정식을 수치적으로 풀어, 실물 시험에 앞서 많은 형상을 걸러 낼 수 있게 합니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 자전거에서 공기 속도와 밀도를 측정하면 현장 시험에서 바람에 대한 추측이 어느 정도 줄어듭니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 돌풍, 교통, 작은 자세 변화 때문에, 시험을 신중하게 반복하지 않으면 현장 결과의 정밀도가 떨어집니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 평평한 표면에서 타력 주행 중 속도가 얼마나 빨리 떨어지는지는 공기 저항과 구름 저항을 합친 크기를 보여 줍니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 장비의 순위는 요(yaw)에 따라 바뀔 수 있으므로, 결과는 여러 풍향 각도에 걸쳐 보고됩니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 기준 상태로 돌아가 보면 세션 동안 조건과 선수 자세가 변했는지 확인할 수 있습니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)
- 절대적인 CdA는 측정 방법에 따라 달라지므로, 같은 방법 안에서 세팅을 비교하는 것이 방법이 다른 결과의 합계를 비교하는 것보다 믿을 만합니다. (출처: Debraux et al., Sports Biomech 2011)

## 테스트 6: 뒤따르기의 물리학

- 짧은 간격으로 앞 선수의 뒷바퀴를 따라가면 뒤따르는 선수의 항력이 대략 3분의 1 이상 줄어듭니다. (출처: Kyle, Ergonomics 1979)
- 뒤따르는 선수가 선두 뒤의 압력을 높여, 선두의 항력을 몇 퍼센트 줄여 줍니다. (출처: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- 대규모 펠로톤의 중간과 후미에 있던 선수들은 단독 주행 항력의 아주 일부만 받았습니다. (출처: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2018)
- 선수 뒤의 저속 후류는 거리가 멀어질수록 섞여 사라지므로, 공기 차단 효과가 약해집니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 요구되는 먼 간격에서는 후류가 대부분 회복되어, 남는 이점은 작지만 0은 아닙니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 블로켄은 선수 뒤의 차량이 그 뒤의 압력을 높여 항력을 줄인다는 것을 보였으며, 이는 타임트라이얼에서 중요할 수 있습니다. (출처: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2016)
- 측풍에서는 후류가 옆으로 밀려나는데, 이 때문에 에셜론이 도로를 비스듬히 가로지르며 형성됩니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 가파른 오르막에서는 속도가 낮고 중력이 지배적이므로, 공기 차단으로 아낄 수 있는 파워는 적습니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 선두의 항력은 단독 주행하는 선수와 비슷하고, 뒤따르는 선수들은 그 후류 속에서 달립니다. (출처: Blocken et al., J Wind Eng Ind Aerodyn 2013)
- 항력이 줄면 같은 속도를 유지하는 데 필요한 기계적 파워도 줄어듭니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## 테스트 7: 오르막, 무게, 경사

- 중력 파워 = 질량 × g × 속도 × 경사각의 사인값입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 1 kg × 9.81 × 4.17 m/s × 0.08은 약 3.3 W입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- Velocita Ascensionale Media는 시간당 수직 상승 미터로 나타낸 상승 속도이며, 킬로그램당 등반 파워의 대용 지표입니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 낮은 등반 속도에서는 파워가 거의 모두 질량을 들어 올리는 데 쓰이므로, W/kg이 속도를 결정합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 오르막이 길고 가파르지 않다면 빠른 속도로 보내는 시간이 길어서 공기 저항이 더 큰 요인이 됩니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 속도는 항력과 구름 저항의 합이 내리막 방향으로 당기는 중력 성분과 같아질 때까지 올라갑니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 내리막 방향의 힘은 질량에 비례해 커지지만 항력은 CdA와 속도에 달려 있으므로, 더 무거운 선수가 더 높은 균형 속도에 도달합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 공기 저항 파워는 공기 속도의 세제곱에 비례하므로, 등반 속도에서는 전체 파워에서 차지하는 비중이 작아집니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 빠르게 내려갈 때는 에어로 자세가 시간을 가장 많이 줄여 주고, 느리게 오를 때는 파워와 호흡이 더 중요합니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 질량은 중력이 지배하는 곳에서 가장 중요하며, 평지와 내리막에서는 영향이 작거나 오히려 약간 불리하게 작용하기도 합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## 테스트 8: 자전거 위의 바람

- 항력은 바람을 포함하여 선수에 대한 공기의 상대 속도에 따라 달라집니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 항력은 공기 속도에 따라 가파르게 커지고 느린 맞바람 구간에서 보내는 시간이 더 길기 때문에, 손실이 이득보다 큽니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 와트당 절약되는 시간은 낮은 속도에서 더 크므로, 느린 구간에서 파워를 조금 더 쓰면 전체 기록이 좋아집니다. (출처: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)
- 적당한 요(yaw)에서는 림이 돛처럼 작용하여 전방 성분을 가진 양력을 만들어 순 항력을 줄일 수 있습니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 측면 면적이 넓을수록 돌풍이 불 때 측면 힘과 조향 토크가 커집니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 공기가 선수와 같은 속도로 움직이면 상대 공기 속도가 0에 가까워지고, 따라서 항력도 0에 가까워집니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 선수의 속도가 낮아지면 측풍 성분이 상대풍에서 차지하는 비중이 커져 요(yaw)가 커집니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 항력의 차이는 공기 속도의 제곱에 비례하므로, 에어로의 이점은 맞바람 속에서 더 커집니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 겉보기 바람은 실제 바람과 선수 자신의 속도가 만들어 내는 공기 흐름의 벡터 합입니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 빠른 뒷바람 구간에서 조금 힘을 빼도 시간 손실은 적으므로, 파워가 더 많은 시간을 벌어 주는 곳에 더 쓸 수 있습니다. (출처: Swain, Med Sci Sports Exerc 1997)

## 테스트 9: 운동 에너지와 속도 변화

- 운동 에너지 = 0.5 × 질량 × v의 제곱입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 브레이크를 잡을 때마다 운동 에너지가 소산되며, 선수는 다시 가속할 때 이를 파워로 되갚아야 합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 부드러운 코너링은 속도를 보존하여, 레이스 페이스로 다시 가속하는 데 반복적으로 드는 비용을 줄여 줍니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 0.5 × 80 × (11.1의 제곱 - 5.6의 제곱)은 약 3.7 kJ이며, 항력 손실은 포함하지 않은 값입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 관성이 선수를 짧은 오르막으로 밀어 올려 주므로, 오르막에 속도를 유지하며 진입하는 것이 효율적입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 회전하는 휠은 회전 에너지를 더하지만 그 추가분은 크지 않으며, 속도가 자주 바뀔 때만 의미가 있습니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 감속과 가속이 반복되면 순수한 에어로보다 파워 폭발력과 핸들링이 상대적으로 더 중요해집니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 짧은 가속은 운동 에너지와 세제곱에 비례하는 공기 저항 파워를 모두 소모하며, 얻는 이득은 대개 작습니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 후미의 선수는 브레이크를 더 자주 잡고 더 세게 가속해야 하므로, 아코디언 효과로 그룹이 늘어납니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 항력 파워는 속도의 세제곱에 비례하므로, 같은 평균 속도라도 고르지 않게 달리면 더 많은 에너지가 듭니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

## 테스트 10: 속도와 파워 계산

- 평지에서는 파워가 속도의 세제곱에 가깝게 늘어나므로, 속도는 파워 변화의 약 3분의 1만큼만 움직입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 5시간을 1% 더 빠르게 달리면 300분 × 1%, 곧 대략 3분을 줄입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- (36/40)의 세제곱은 약 0.73이고, 0.73 × 250은 약 182 W입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 와트당 절약되는 시간은 낮은 속도에서 더 크고, 주행이 길어질수록 누적됩니다. (출처: Crouch et al., Sports Eng 2017)
- 일 = 파워 × 시간: 200 J/s × 3,600초 = 720,000 J입니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 효율 약 24%에서 약 1 kJ의 일을 하기 위해 4.18 kJ의 음식 에너지를 태우면, 두 수치는 거의 같아집니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 대사 에너지 중 페달에서 파워로 바뀌는 것은 약 5분의 1에서 4분의 1에 불과하며, 나머지는 열이 됩니다. (출처: Coyle et al., Med Sci Sports Exerc 1992)
- 효율이 20~25% 안팎이면 에너지 대부분이 열로 빠져나가며, 몸은 이 열을 내보내야 합니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 파워 환산 4% 절감은 속도로는 그 약 3분의 1, 곧 약 1.3%의 이득을 줍니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)
- 속도는 파워/CdA의 세제곱근에 비례하므로, CdA를 10% 줄이면 속도가 약 3.5% 늘어납니다. (출처: Martin et al., J Appl Biomech 1998)

출처: 동료 평가를 거친 스포츠 공학·생리학 문헌과, 확립된 사실을 위한 공개 시험 데이터와 표준

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