자동차 연비에 영향을 주는 5가지 물리학 특성 Five properties of physics that affect your gas mileage

물리학 이해하면 연비 줄일 수 있어

Credit: John Moreno/Argonne National Laboratory

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  물리학은 피할 수 없는 것이다. 

당신의 프리스비(Frisbee: 던지기를 하고 놀 때 쓰는 플라스틱 원반)를 날게 만들고, 변기의 물이 내려가게 하거나, 높은 고도에서 물이 더 낮은 온도로 끓는 것과 같이 물리학은 어느 곳에서나 존재한다. 우리는 이러한 힘을 화학 및 공학 분야뿐만 아니라 자동차라고 불리는 놀라운 기계장치를 만들기 위하여 활용하여 왔다. 그러나 고속도로에서 운전자가 자동차를 움직이게 만드는 다수의 물리학 특성들은 자동차에서 얼마나 많은 연비를 얻을지에 영향을 미친다. 

미국 에너지부(DOE; Department of Energy) 산하 아르곤 국립연구소(Argonne National Laboratory) 소속의 운송 공학자인 스티브 시아티(Steve Ciatti)는 엔진이 도로에서 사용될 때 이러한 힘들의 일부를 연구하고 있다. 

1) 증기 압력(vapor pressure)

여름에 휘발유 기업들은 더 낮은 증기 압력을 가지는 휘발유 혼합물을 만든다. 이는 기본적으로 덜 증발하는 경향이 있음을 의미한다. 액체는 온도가 높을 때 더 빨리 증발한다. 그래서 여름에 휘발유 증기가 스모그(smog: 연기[Smoke]와 안개[Fog]의 합성어로 일반적으로 자동차와 공장에서 내뿜는 매연으로 인해 오염되어 뿌연 대기상태를 가리킴)와 오존 오염에 기여하는 것을 방지하기 위하여 미국 환경 보호국(EPA: US Environmental Protection Agency)은 휘발유 기업들에게 성분 배합을 변경하도록 강제하였다. 

성분 배합이 변경된 휘발유는 더 깨끗하고, 자동차에 약간 더 나은 연비를 제공한다. 왜냐하면 휘발유는 모두 같은 종이지만 일부는 짧고 일부는 긴 분자들의 혼합물로 구성된다. 이러한 분자들을 분해하는 과정에서 에너지가 얻어진다. 부탄(butane)과 같은 짧은 분자는 에너지가 적으며 더 저렴하다. 따라서 휘발유 기업들이 부탄을 더 많이 넣고 싶어 한다는 것은 이해가 간다. 

미국 환경 보호국(EPA)이 상관하는 부분은 짧은 분자가 더 쉽게 증발하여 오염에 기여한다는 것이다. 그래서 미국 환경 보호국(EPA)은 여름에 휘발유 혼합물에서 짧은 사슬을 가지는 분자를 얼마나 많이 포함시킬 수 있는지를 제한하고, 이를 사용하는 자동차의 경우 연비는 전체 휘발유가 더 많은 에너지를 가지므로 증가한다. 불행하게도 이것은 휘발유 가격을 약간 더 비싸게 만든다.

2) 마찰(friction)

아르곤 국립연구소의 자매기관인 오크리지 국립연구소(Oak Ridge National Laboratory) 소속 과학자들은 시속 50마일(80.5킬로미터) 이상의 속도에서 자동차의 연료 경제성을 시험하였다. 시속 10마일(16킬로미터)이 올라갈 때마다 갤런(3.79리터)당 연비는 12퍼센트 이상 감소한다. 더 과속을 할수록 감소율은 더 증가한다. 시속 70마일(113킬로미터)에서 시속 80마일(129킬로미터)로 올리면 12퍼센트가 아닌 15퍼센트가 감소한다. 

자동차의 종류에 따라 이러한 현상은 정도의 차가 있을 수 있다. 어떤 자동차는 25퍼센트나 감소하였다. 

“만약 당신이 정속으로 주행한다면 당신이 사용하는 모든 동력은 마찰력을 극복하는 데에 사용된다. 속도를 증가시킴에 따라 이 방정식은 세제곱으로 증가한다. 따라서 시속 80마일을 유지하는 것은 시속 40마일을 유지하는 것보다 8배 더 많은 동력을 사용한다.”

같은 거리에서 자동차를 움직일 때 더 빨리 갈수록 더 많은 휘발유가 필요하게 될 것이다. 

3) 항력 계수(Drag coefficient)

자동차의 항력 계수는 기본적으로 공기가 자동차 주위를 어떻게 쉽게 지나가는지를 측정한다. “운전자는 자신의 자동차가 가능한 가장 좁은 앞면 면적을 가지길 원한다. 만약 자동차가 상자 모양이면 항력 계수가 나쁘다”고 스티브 시아티가 말했다. 

운전자는 고속도로를 주행할 때 창문 밖으로 팔을 내밀어서 이러한 효과를 스스로 증명할 수 있다고 스티브 시아티가 전했다. 만약 운전자가 지면과 평행하게 손을 평평하게 하면 항력은 그리 나쁘지 않다. 그러나 운전자가 팔을 내밀어서 손바닥이 앞쪽을 향하도록 한다면 더 많은 표면 면적이 주행 방향으로 노출되고 항력을 더 강력하게 된다. 이것은 바로 항력 계수의 차이가 만든 것이다. 

오늘날 자동차 제조업체들은 자동차를 설계할 때 항력 계수에 세심한 주의를 기울여서 자동차 주위로 공기가 쉽게 미끄러지도록 한다. 상자 모양의 자동차와 비교하여 공기 역학적인 앞면을 가진 자동차를 선택하는 것은 연비가 더 좋아지는 경향이 있음을 의미한다. 

4) 운동량(momentum)

자동차는 1,800파운드(816킬로그램)를 가지는 스마트 자동차에서부터 5,000파운드(2268킬로그램) 이상이 나가는 스포츠 실용차(SUV)에 이르기까지 엄청난 무게를 가진다. 이러한 무게는 좋게도 혹은 나쁘게도 사용될 수 있다. 일단 무게가 많이 나가는 물체를 이동시키는 데에는 많은 동력을 필요로 하지만, 일단 움직이면 특히 잦은 정지와 기동을 가지는 도심 운전에서 이 운동량을 이용할 수 있다. 

“연비를 위하여 운전자가 할 수 있는 최악의 행동 중 하나는 녹색 신호등이 꺼지자마자 가속 페달을 밟는 것이다. 더 빠른 가속을 할수록 더 많은 동력이 요구되며, 다음의 적색 신호등을 만나자 마자 모든 것은 다 쓸모없게 된다”고 스티브 시아티가 말했다. 

노련한 운전자는 특히 한 블록 앞에 적색 신호등이 있다면 자동차를 전진시키기 위하여 휘발유에 대한 의존을 완화시키고 운동량에 의존한다. “급발진을 줄이는 것은 자동차의 연료 효율성을 크게 향상시킬 것”이라고 스티브 시아티가 조언하였다.

5) 구름 저항(rolling resistance)

만약 운전자가 정속으로 운전한다면 운전자가 사용하는 대부분의 에너지는 마찰력에 대응하기 위하여 사용된다는 것을 기억하는가? 타이어는 이 현상이 일어나는 곳이며, 얼마나 많은 동력이 필요한가는 구름 저항이라고 불리는 특성에 의하여 좌우된다. 특히 타이어가 부드러울수록 표면을 가로질러 움직이는 데에 더 많은 노력이 필요할 것이다. 

이처럼 딱딱한 고체 타이어가 자동차 연비에 유리하다면 왜 우리는 자동차에 이러한 타이어를 사용하지 않을까? 더 딱딱한 타이어는 더 효율적이지만, 마찰력이 작아서 비나 눈이 올 때 더 적은 제동력을 제공하며, 충격을 잘 흡수하지도 못한다. 고성능 자동차를 탔을 때 등이 아픈 것은 이러한 이유 때문이다. 스포츠 자동차의 타이어는 더 딱딱하게 제작되어 더 활기차게 주행하지만, 쿠션이 없어서 승차감은 더 거칠다. 결과적으로 개인용 자동차는 일상생활의 용도에 적합하도록 안정성, 효율, 승차감, 내구성 등의 모든 요소들이 균형을 이루도록 설계된다. 

운전자는 타이어의 공기압을 조절하여 구름 저항의 일부를 제어할 수 있다. 자동차 제조업체의 권고사항은 성능, 효율, 승차감 등을 고려한 것이다. 타이어를 이 범위 내에서 유지하는 것은 자동차 연비를 증가시킬 것이라고 스티브 시아티가 말했다. 

6) 보너스 논의: 차량 실내 온도

지금까지 공기 온도가 만드는 가장 큰 차이점은 운전자가 에어컨을 사용하는지 여부라고 스티브 시아티가 강조하였다. 

“에어컨은 휘발유를 잡아먹는 장치이다. 에어컨의 냉방 기능에는 증발과 응축이 포함되며, 이는 무시무시하게 동력이 집적되는 과정이다.” 물론 에어컨의 사용은 창문을 여는 것보다 더 나쁜 것이다. 자동차의 창문은 측면에 있기 때문에 현재까지 바람 저항에서 가장 큰 부분을 차지하는 자동차 앞면의 형상을 변경하지 않는다. 그러나 운전자는 에어컨을 운전하여 엔진의 동력을 빼내간다. 

“때때로 나는 녹색 신호등의 끝에서 좌회전을 하는 것과 같이 갑작스러운 가속이 필요하다면 에어컨을 차단할 것이다. 왜냐하면 당신은 에어컨의 운전 여부에 따라 엔진으로부터 얻을 수 있는 동력의 양을 확실히 느낄 수 있기 때문”이라고 스티브 시아티가 설명하였다.

왜 자동차의 실내를 냉각하는 것이 가열하는 것보다 휠씬 더 많은 동력을 요구할까? 엔진은 어쨌든 부산물로 열을 만든다. 따라서 공기가 단지 엔진 냉각수 위를 지나가도록 하여 열을 무료로 얻을 수 있다. 

물리학 특성에 관한 용어는 불가피한 것처럼 들린다. 그러나 운전자의 행동이 자신의 자동차가 얼마나 좋은 연비를 가지는지에 있어 가장 큰 요인이라고 스티브 시아티가 강조하였다. “급가속과 고속도로에서 극한의 속도로 운전하는 것, 이것은 많은 휘발유를 태우는 최선의 방법”이라고 스티브 시아티가 덧붙였다.

운전자별 운전 형태에 따라 엄청난 차이를 만들기 때문에 아르곤 국립연구소의 공학자와 연구자들은 연구소에서 자동차를 시험할 때 컴퓨터가 자동차를 운전하도록 한다. 연구자들은 자동차를 위한 러닝머신인 동력계(dynamometer) 위에 자동차를 설치하여 배출가스에서부터 하이브리드 자동차의 배터리 수명에 이르기까지 모든 것을 측정하면서 운전한다. “이것은 우리가 가능한 모든 변수들을 제어할 수 있게 하며, 운전자의 행동은 큰 영향을 미친다”고 스티브 시아티가 말했다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

Five properties of physics that affect your gas mileage

July 3, 2015 by Louise Lerner

Physics is inescapable. It's everywhere, making your Frisbees fly, your toilets flush and your pasta water boil at a lower temperature at altitude. We've harnessed these forces, along with chemistry and engineering, to build a marvelous contraption called a car—but many of the same properties that allow you to fly along the freeway also affect how much gas mileage you get out of your car. We talked to Argonne transportation engineer Steve Ciatti to explore some of the forces at work in your engine when it's on the road.

1) Vapor pressure

In summer, gasoline companies produce a blend of gas with lower vapor pressure, which basically means it is less likely to evaporate. Liquids evaporate more quickly when it's hot, so in order to prevent the gasoline vapor from contributing to summer smog and ozone pollution, the U.S. Environmental Protection Agency orders companies to change the formula.

The reformulated gas is cleaner and gets slightly better mileage for your car. Why? Gas is made up of a mix of molecules—all in the same family, but some short and some long. You get energy by breaking the molecules apart. Short ones, like butane, have less energy, and they cost less (so it makes sense that a company would want to add more of them). The part the EPA cares about is that short molecules also evaporate more easily, contributing to pollution. So in summer, the EPA restricts how many short-chain molecules can be in the blend, and your mileage increases because there's more energy in the gasoline overall. Unfortunately, it also makes the gas slightly more expensive.

2) Friction

Scientists at Argonne's sister national lab, Oak Ridge, tested cars' fuel economy at speeds over 50 miles per hour. For each extra 10 mph over, you lose a little over 12 percent of your miles per gallon. That increases as you go faster. Going from 70 to 80 mph costs you 15 percent, not 12.

Depending on the make of your car, it could be more or less. Some cars dropped as much as 25 percent.

"If you're driving at a steady velocity, all the power you're using is going into overcoming friction," Ciatti explained. "That equation increases by a power of three as you increase speed. So keeping the car going at 80 mph is using eight times the power you'd be using at 40 mph."

The faster you go, the more gas you'll need to move the car over the same distance.

3) Drag coefficient

The drag coefficient of your car is basically measuring how easily air goes around it. "You want as little frontal surface area as possible. If the car is a box, that's bad," Ciatti said. (You can see the coefficients of various shapes in the sidebar).

You can demonstrate this effect yourself, Ciatti said, when you hold your arm out the window while you're driving on the highway. If you lay your hand flat, parallel to the ground, the force isn't too bad. But if you hold your palm out, facing front, exposing more surface area to the direction of travel, the force is much stronger. That's the difference drag coefficient makes.

Automakers today pay close attention to drag coefficient, designing cars so that air slips easily around them. Choosing a car with an aerodynamic front—compared with a boxier make—will mean its gas mileage tends to be better.

4) Momentum

Weighing from 1,800 pounds (Smart Cars) up to 5,000 pounds and more (SUVs), cars have a huge amount of mass, which you can use for good or ill. It takes a lot of power to get an object of that mass moving, but once it does, you can use the momentum to coast—especially during city driving, with frequent stops and starts.

"One of the worst things you as a driver can do for your mileage is jam on the gas as soon as the light turns green," Ciatti said. "The harder you accelerate, the more power you need, and that all goes to waste as soon as you hit the next red light." A savvier driver eases off the gas and relies on momentum to carry the car forward, especially if there's a red light coming up a block ahead.

5) Rolling resistance

Remember when we said that if you're driving at a steady speed, most of the energy you're using is going to counteract friction? The tires are where that happens, and how much power it takes is dictated by a property called rolling resistance. Essentially, the softer the tire is, the more effort it will take to push it across a surface.

Why don't our cars have solid, hard tires, if that would be better for gas mileage? Harder tires are more efficient, but they provide less braking force, especially in rain and snow (because there's less friction) and they don't absorb shock as well. That's why your back might be sore after a ride in a performance car, Ciatti said; the tires on sports cars are built harder so that they can turn more crisply, but without that cushion, the ride quality is rougher. As a result, personal vehicles are engineered to balance all these factors—safety, efficiency, ride quality, durability—for everyday use.

You have some control over rolling resistance by inflating or deflating your tires. The manufacturer's recommendation takes performance, efficiency and ride handling into account; keeping your tires within that range will increase your gas mileage, Ciatti said.

Bonus! Air temperature

By far the biggest difference that air temperature makes is whether it makes you turn on the air conditioning, Ciatti said.

"The A/C is a power guzzler," Ciatti said. "Evaporating and condensing, which is what's going on in air conditioning, is horrifically power intensive." Yes, it's worse than opening the windows. Because the windows are on the sides of the car, they don't change the shape of the front of the car, which is what makes by far the largest difference in wind resistance. But you do drain engine power by running the A/C.

"Sometimes I'll turn the A/C off for a minute if I know I'll need to make a sudden acceleration, like a left-hand turn at the end of a light, because you can absolutely feel the difference in the amount of power you can get from the engine," Ciatti said.

Why is cooling a car so much more power-intensive than heating it? Engines make heat as a byproduct anyway, so the heat is "free"—just blow air past the engine coolant.

Where the rubber hits the road

The term physics properties makes it sound inevitable, but "driver behavior is a huge, huge factor in how good your gas mileage is," Ciatti said. "Jackrabbit starts, driving at extremely high speeds on the highway—those are the best ways to burn a lot of gas."

That enormous variation due to driving styles is why, when Argonne engineers and researchers test vehicles at the laboratory, they use a computer to drive the car. They set the vehicle up on a dynamometer, which is essentially a treadmill for cars, and run it while they measure everything from emissions to battery life in hybrids. "This lets us control all the variables we possibly can," Ciatti said, "and driver behavior is a big one."

http://phys.org/news/2015-07-properties-physics-affect-gas-mileage.html

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