아래에 보니 재미있는 글이 있어 몇자 적습니다. 핵심은 타이어 폭이 넓으면 접지력이 증가한다는 것은 이 바닥에서는 상식중에 상식인데 물리학의 마찰력 공식을 드리밀어 마찰력은 접촉면과 관련이 없어 타이어 폭이 넓다고 접지력이 증가하지 않다는 것입니다. 즉, F = μN (μ=마찰 계수, N=수직항력)입니다.
 
과연 마찰력은 물체의 넓이와 전혀 관련이 없을까요? 결론부터 말하면 당연히 비례하죠. 수많은 예들이 있지만 먼저 물리학 공식부터 보죠. 우리가 중/고교때 배운 물리학 공식들이 많은데 사실 이들은 정도의 차이는 있지만 기본적으로 많은 가정(assumption)들을 포함하고 있는데 현실적으로 이런 가정이 들어맞지 않는 경우가 많고 이 차이가 심할 경우 공식이 전혀 의미가 없어지죠. 이런 가정들은 고교때 배우지않고 언급도 거의 없습니다 (예외가 공기저항이죠). 관련 대학원은 가야 이런 가정을 배웁니다.

그러면 실제로 위 공식에 어떤 가정이 숨어있는가 하면 대표적인 것이 열입니다. 마찰로 인한 열입니다. 그리고 마찰 계수는 물체의 운동중에 변하지 않는다는 것입니다. 여기서 위 공식은 처참하게 무너집니다. 즉, 열이 발생하면 마찰계수는 현저하게 떨어집니다. 즉, 상황에 따라 dynamic하게 변한다는 것이죠. 여기서 핵심은 열입니다. 마찰열을 말합니다.

그런데 마찰열은 넓이와 비례한다는 것입니다. 넓이가 적으면 압력이 높아지고 그 만큼 열이 많이 발생되죠. 그리고 마찰 계수는 작아져 마찰력은 줄어들어 접지력이 떨어집니다. 반대로 넓이가 크면 압력이 낮아져 마찰열이 적게 발생하고 물체의 넓이가 커서 빨리 열이 식습니다. 그래서 마찰 계수는 거의 변동이 없는 것이죠.

고성능 후륜구동 차의 뒷바뀌나 경주용차의 타이어가 무식하게 광폭인 것은 모두 접지력을 높이기 위합니다. 그런데 인터넷의 어느 (미국) 물리학 교사가 쓴 글을 보니 광폭 타이어의 재질이 소프트해서 접지력이 좋은 것이지 단지 광폭이라 접지력이 좋은 것은 아니라고 썼더군요. 말도 안되는 소리입니다. 접지력이 넓이에 비례하지 않는다면 폭이 반정도 되는 타이어를 F1에서 왜 사용하지 않을까요? 광폭 타이어와 동일한 접지력을 가지고 월등히 경제적인데 말입니다.

즉, 결론은 마찰로 인한 마찰열이 아주 클 땐 마찰력은 넓이와 비례한다는 것이고 광폭 타이어는 접지력이 좋다는 것입니다.

비슷한 다른 예를 들면 brake fade 현상입니다. 고속 또는 내리막 등에서 브레이크를 과도하게 사용하면 브레이크 패드와 디스크에 마찰열로 인해 온도가 수백도까지 오릅니다 (F1은 천도까지). 그러면 마찰 계수가 급격히 떨어져 마찰력을 제대로 만들어내지 못해 제동력 길어지죠.

“열이 발생하면 마찰계수는 현저하게 떨어집니다.”
Are you sure about the friction coefficient decrease as the temperature increased ?
It should be varied with the material.
Can you explain why the soft ruber compound is used on winter tire?
Why racer performes tire warm to have maximum traction?

윈터타이어의 경우는… 대부분 고무라는게 온도가 낮아지면 그 자체가 굳어버리는 문제가 있습니다. 같은 고무 지우개라고 할지라도 따뜻할 때와 아주 추울 때는 느낌이 다르듯 탄성이 떨어지게 됩니다.

눈길에 특화되는 특성상 컴파운드가 아주 연해야하고 쉽게 움켜쥘 수 있도록 타이어 표면 자체도 수많은 주름과 결로 이뤄져 있습니다. 그래야 차가운 눈밭에 가서도 타이어가 굳지 않고 부드럽게 노면(눈밭 등)에 대응을 하기 쉽기 때문입니다.

어떻게 보면 썸머타이어에서 곱고 부드러운 컴파운드를 쓰는 이유와 같은듯 좀 방향이 다른 부분이지요. 그래서 트레드의 블럭 디자인이나 이런게 다르기도 합니다. 드라이 – 섬머의 경우는 접지력을 위한 큰 블럭과 배수를 위한 세로줄, 윈터의 경우는 수많은 잔결들로 이뤄져 있지요, 큰 블럭 단위에도 손으로 만져보면 수많이 갈라진 주름이 있습니다.

님께서 한가지를 잘 모르셔서 혼돈되고 있습니다. 어떤 물질이든 최대 마찰력을 가지는 온도가 다르다는 것입니다. 아시겠지만 경주용 차에 들어가는 부품들은 일반 부품들과 (타이어와 브레이크 관련해서) 다릅니다. 경주하는 상태에서는 타이어와 브레이크 온도는 일반적인 상황을 월등히 넘는 수준이라 아주 높은 온도에서 최대 마찰력을 가지는 물질을 사용합니다. 그래서 경주용 차는 특별한 워밍업이 필요한 것이죠. 그래서 room temperature 기준으로보면 온도가 올라가니 마찰력이 증가한 것이죠. 하지만 이런 물질들도 어느정도를 넘어가면 마찰력이 떨어집니다.

한가지 예들들면 세라믹 브레이크입니다. 이 세라막은 온도가 높아야 마찰력이 최대가 됩니다. 따라서 일반 세단에 세라믹 브레이크 패드/디스크를 장착하면 일반적인 경우 (즉, cold한 상태에서 braking) stopping distance가 상당히 길어지죠. 하지만 스포츠 드라이빙으로 온도가 수백도로 올라가기 시작하면 braking fading없이 브레이크 성능이 월등히 올라갑니다. 충분히 설명했다고 생각하는데 궁금한 점 있으시면 다시 글 남겨 주세요.

좋은 글 감사합니다. 많이 배웠습니다.

일반적인 타이어의와 건조한 아스팔트 노면의 마찰계수(μ)는 0.8 ~ 0.9 입니다. F1에서 사용되는 타이어의 마찰계수는 1.7이상이며 F1용 타이어는 보통 260 F (125 C)를 전후에서 최고의 접지력(마찰력)을 발휘합니다. 따라서 레이싱팀들이 타이어 워머를 사용해 레이스 시작 전에 최적온도에 가깝게 타이어를 데워 사용하는 것을 잘 아실것입니다. 따라서 일반인의 실사용 조건에 대입하는 것은 무리가 있다고 생각합니다.

실사용 조건에서는 타이어온도 범위는 140 ~ 180 F (60 ~ 80 C)정도이고 최대의 접지력(마찰력)이 나오도록 설계되어 있습니다. 타이어면적에 따른 열발생과 손실까지 감안해서 (접지면적에 따른) 마찰계수에 차이로 인해 접지력(마찰력)의 차이를 이끌어 낼수 있다고 생각하실수 있으나 주행시 타이어 온도 범위내에서는 미미합니다.

접지력의 차이를 만드는 것은 타이어 뿐만 아니라 타이어에 걸리는 차량의 하중, 차량의 속도, 타이어 구조, 서스펜션 설계, 차의 무게중심 위치 등 한두가지가 아닙니다. 위 식에 따라서 접지력에 큰 영향을 미치는 마찰계수 즉, 일반 타이어와 F1타이어의 마찰계수의 차이는 타이어의 성분차이에는 오는 것이 맞습니다. 또 같은 차(같은 차량하중)의 타이어의 접지력(마찰력)에 가장 큰 영향을 주는 요소도 타이어폭이나 편평비보다는 타이어 성분의 차이입니다.

답글 감사합니다. 모든 조건이 동일할 때 타이어 사이즈도 같을 때 접지력은 기본적으로 타이어 성분이 크게 좌우 합니다. 마찰 계수 자체가 다르니 당연하죠. dry/wet 도로 조건에서 일반적으로 여름 타이어가 사계절 타이어보다 접지력이 좋은 것과 같은 이치죠.

그리고 모든 조건이 동일할 때 같은 타이어일 경우 (동일 타이어 성분) 타이어 폭이 넓은 타이어가 접지력이 좋은 것이죠. 이는 제동력과 직결된 것이기도 하죠. 정비님 동의하시죠?

원론적으로는 물리학 선생님의 의견이 맞습니다.

타이어를 광폭으로 하더라도 같은 재질이라면 노면에 닿는 접촉면의 면적은 동일합니다. 접촉면의 형상이 바뀔뿐입니다. 따라서 접지력의 변화는 없습니다.

그런데 왜 광폭타이어를 쓰면 접지력을 향상 시킬수 있을까요?

아마 대부분의 자동차에 공통적인 서스펜션 지오메트리의 특성에 기인한 것이 아닐까요? 이 부분에 대해서 정비님께 정중하게 해설을 부탁드리면 많은것을 배울수 있을듯 합니다.

“타이어를 광폭으로 하더라도 같은 재질이라면 노면에 닿는 접촉면의 면적은 동일합니다.” 이게 무슨 말씀이신지 광폭이면 당연히 노면과 접촉하는 넓이는 크죠. 그 물리학 선생도 넓이는 크다고 했습니다.

“같은 재질일 경우 노면에 닿는 접촉면이 동일하다”는 말은 말그대로 이론적으로 하중이 동일면적에 실린다는 말씀이신것 같습니다. 즉 일반타이어의 경우 가로4인치, 세로 5인치의 면적으로 지면에 닿는다면 같은 재질의 광폭타이어의 경우 가로 5인치, 세로 4인치의 면적이 지면에 닿느다는 말씀입니다. 그림으로 하면 쉬운데 말로하려니 어렵네요.

이번글은 호랭이님이 하신말씀이 다 맞는말인데 의견이 분분하네요?
타이어의 폭보다는 타이어 성분이 좌우하신다고 어떤분이 댓글을 다셨는데,

성분이 제 아무리 슬릭타이어 일지라도, 타이어 사이즈가 안나오면 그만한 접지력 안나옵니다.

그 반대로 접지 면적을 줄여야 유리한경우는 눈길인데,
WRC 같은거 보면 타이어가 거의 바이크 수준….

그리고 타이어를 광폭으로 하면 노면에 닿는 접촉면의 면적은 동일하지 않습니다.
더 커집니다.

회사갔다 왔더니 많은분들께서 의견을 주셨네요. 답글하나가 이렇게 큰 파장(?)을 일으킬 줄이야.

의견을 요약해보면 동일차량에서 타이어폭이 더 넓은 광폭타이어로 교체시 타이어 접지력이 증가하는가가 핵심인것 같습니다.

일반적인 타이어 마찰계수는 낮은 온도보다 높은 온도로 오를수록 값이 비례하여 상승합니다. 그러나 일정 이상 한계를 넘어서면 반대로 마찰계수가 떨어지게 됩니다. 이때 이론적으로는 더 많은 하중을 타이어에 가하면 더 높은 접지력을 얻을 수 있을 거라 생각할 수 있으나 실제로는 일정 한계 이상의 온도 상승을 부추기게 되어 오히려 접지력을 감소시키게 됩니다. 따라서 호랭이님이 말씀하신 부분도 맞는 말씀입니다. 광폭타이어가 온도상승을 더디게 하므로 온도상승에 의한 접지력의 저하를 막아줍니다. 그러나 일반적인 주행상태에서 타이어의 주행온도가 일정 범위내에서 한정되어 있고 이 상태에서는 타이어온도가 접지력에 미치는 영향은 미미하다는 부분을 말씀드리고 싶었습니다. 호랭이님이 언급하신 “모든 조건이 동일할 때 같은 타이어일 경우 (동일 타이어 성분)” 타이어 폭에 따른 접지력의 차이는 이론적으로 없습니다.

그렇다면 왜 광폭타이어로 교체하면 접지력이 증가하는 것처럼 느껴질까요? 실제로 광폭타이어를 사용하면 접지력의 한계를 느낄수 있는 주행조건에 도달하는 빈도가 낮습니다.

타이어와 노면의 접촉면적은 제한되어 있습니다. 정차시에 균일하고 노면과 확실하게 접지하고 주행중에는 속도와 노면상태, 운행방향, 타이어공기압, 항속, 제동, 가속 등 주행 특성에 따라 그 접촉면적과 하중 분포가 수시로 변하게 됩니다. 이는 즉각적으로 접지력에 영향을 미치고 접지면적의 증감에 따라 접지력 총합이 순식간에 바뀌지는 않지만 안전운전에 중요한 실질적인 고려요소가 됩니다. 그러나 때때로 주행시 타이어의 옆면 즉 사이드월이 눌려 변형을 일으키면 접지면의 트래드 부분 하중 분포가 심각하게 바뀌게 되고 순간적으로 접지력을 잃어 위험한 상황에 직면하기도 합니다.

동일한 휠을 사용할 경우 타이어폭이 넓어질수록 편평비가 낮아지며 편평비가 낮을수록 사이드월이 강하게 설계되고 타이어가 접지력을 잃을 가능성을 낮추어 줍니다. 따라서 광폭타이어로 바꾼다고 해서 네 바퀴에서 얻어지는 접지력 총합이 바뀌지는 않지만 주행시 타이어의 접촉면을 최대한 유지시키는 것을 도와주는 것입니다. 그 외에도 광폭타이어는 외부하중에 의한 타이어의 형상의 변형이 상대적으로 적은 장점이 있고 서스펜션의 노면적응도가 높은 등의 장점이 있습니다.

접지력을 최대로 유지시키기 위해서 광폭타이어로의 교체도 중요하지만 주행성향에 맞는 타이어의 선택과 오래되어 경화된 타이어의 교체, 적정타이어 공기압을 유지하는 것이 더 중요할 것입니다.

“일반적인 주행상태에서 타이어의 주행온도가 일정 범위내에서 한정되어 있고 이 상태에서는 타이어온도가 접지력에 미치는 영향은 미미하다”라고 하셨는데 온도변화가 별로없으니 접지력은 큰 차이가 없습니다. 이 부분은 전적으로 동감합니다. 예를들면, 고속도로에서 크루즈로 직선도로 달릴 땐 오히려 타이어 폭이 좁은 것이 가속도 좋고 연비에도 더 좋죠. 구릉 저항도 적고.

하지만 님께서 한가지 생각하지 않으신 부분이 접지력이 언제 꼭 필요한가 입니다. 저가 원글에서 강조한 것이 마찰로 인한 마찰열이었습니다. 타이어 입장에서는 타이어에 열이 많이 발생하는 상황입니다. 예를들면, 급격한 출발, 급커브, 그리고 급제동입니다. 보통 급제동이 가장 흔하고 중요하다고 볼 수 있죠. 일반 세단도 타이어가 타서 흰 연기가 날 정도로 열이 발생하기 때문입니다. 따라서 타이어 폭이 넓을 수록 열 발생이 적어 접지력이 상승하고 그만큼 제동력도 좋아지는 것이지요.

스케이트 날이 왜 날카로운가를 생각하면 현실에서 마찰력은 면적에 무관하다는 법칙은 처참하게 무너집니다. 그리고 타이어 폭이 좁고 편평비자 낮은 타이어는 (예, 185-45-18 정도) 왜 없는가를 생각하면 타이어 폭과 접지력의 관계를 쉽게 이해할 수 있습니다. 접지력과 면적이 무관하다면 275-45-18 이런 타이어 대신 185-45-18 정도의 타이어가 왜 만들지 않을까요? 더 경제적인데 말입니다.

저는 이런게 무슨 논란거리가 될까 이상하게 생각했는데 왜 그런지 다음 링크를 보고 알게 되었습니다.

http://boson.physics.sc.edu/~rjones/phys101/tirefriction.html

The maximum coefficient of friction can occur anywhere in the contact area, so that the greater the area, the greater the likelihood of maximum traction. Thus, under identical load and on the same dry surface, the wider tire has a greater contact area and develops higher traction, resulting in greater stopping ability.

타이어의 접지력(friction, 마찰력)은 F = μN (μ=마찰 계수, N=수직항력)식에 따라 변하지 않는것이 맞습니다만, 타이어의 traction(견인력, 네이버사전참고)은 접촉면에 따라 변합니다. 저는 첫번째 리플에서 “접지력(마찰력)”이라고 표현하였고 두번째 리플에서는 너무 길어서 그냥 “접지력”이라고 표현하였지만 타이어의 friction에 대한 이야기임을 글을 읽어 보시면 잘 아실수 있을 것입니다.

호랭이님의 글을 쭉 읽어보면 글에서 표현하신 타이어의 “접지력”은 – 제가 해석하기로는 – 타이어의 “traction” 인것 같습니다. 타이어의 접지력(마찰력)은 타이어의 traction과는 엄밀히 구별됩니다. 타이어의 traction ( = tire grip) 에는 타이어의 접지력에 운동(motion)의 개념이 포함되기 때문입니다.

Traction의 정의를 보면

..a physical process in which a tangential force is transmitted across an interface between two bodies through dry friction or an intervening fluid film resulting in motion, stoppage or the tranmission of power (위키피디아 참고 : http://en.wikipedia.org/wiki/Traction_(engineering) )

타이어의 접지력(마찰력)과 traction( 또는 흔히 tire grip)을 혼동함으로써 광폭타이어에 관한 논란이 생겼던것 같습니다.

다시 한번 정리하자면 타이어의 friction(접지력, 마찰력)은 타이어의 접촉면에 무관하지만 타이어의 traction(견인력)은 접촉면에 비례하여 커집니다.

http://en.wikipedia.org/wiki/Tire (Dry traction 항목 참조)

그동안 리플로 많은 의견을 주셔서 감사합니다. 저도 많이 배웠습니다.

답글 감사합니다. 첫번째 링크가 참 좋네요. 학사와 박사(교수)의 차이라고 할까요? 물리학 교수가 타이어 폭이 늘어나면 물리학적으로 제동거리가 줄어든다고 했으니 더 이상의 논쟁은 없을 듯 합니다.

그리고 타이어 접지력과 타이어 traction은 같은 말입니다. 이 바닥에서는 누구나 아는 상식입니다. “접지력 traction”으로 구글해봐도 쉽게 알 수 있습니다. 아래는 조지아 주립대 물리학과에서 퍼온 글입니다 (http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/frict2.html)
“The amount of traction which can be obtained for an auto tire is determined by the coefficient of static friction between the tire and the road.”

알려주신 링크에서는 타이어 접지력(마찰력)과 타이어 traction(견인력) 이 같다는 말은 어디에도 없네요. “자동차의 타이어에서 얻어지는 traction의 양은 타이어와 도로간의 정지마찰계수에 의해 결정된다” 이말이 접지력과 traction이 같다는 말입니까?

호랭이님께서 타이어 접지력(마찰력) 공식을 들고 나와서 traction(견인력)은 접지면에 비례하는데 공식은 그걸 반영하지 못하니 공식은 “전혀 의미가 없다”는둥, 물리학 선생의 설명에 “말도 안되는 소리”라니 참 어이가 없습니다. 그렇다면 그 공식으로 유도되는 다른 공식과 그것을 포함하는 공식은 모두 잘못되었다는 말입니까?

타이어 traction을 나타내는 공식은 따로 있고 공식은 타이어의 접촉면적을 파라미터로 포함하고 있습니다. 찾기 귀찮으실까봐 pdf로 링크할테니 한번 읽어보십시오.

http://bsesrv214.bse.vt.edu/dist_lecture_27/REFERENCES/Traction_Prediction_Equations_for_Bias_Ply_Tires.pdf

http://journals.uzpi.cz/publicFiles/01565.pdf

그리고 어느 바닥인지는 모르겠으나 잘못된 상식을 자연스럽게 받아들이는 바닥이라면 그다지 제대로 된 바닥으로 보이지는 않습니다. 호랭이님께서는 어서 헤어 나오시길 바랍니다.

타이어 폭과 접지력에 관한 관계는 글을 읽으시는 분들이 판단하시기 바랍니다.

과제하는데 도움이 많이되었습니다.
그런데 다 읽어보고나서 의문점이 하나드는것이 있는데
마찰열은 압력과 비례하고 넓이와 반비례하는것이 아닌지요???
‘넓이가 커지면 압력이 낮아지고 마찰열이 낮아진다. ㅡ> 큰 넓이 작은열
혹은 넓이가 좁아지면 압력이 높아지고 마찰열 또한 높아진다. ㅡ> 작은 넓이 큰열’