가장 빠른 스포크를 향해-1

1. 다시 조명받는 스포크 공기역학

HED의 와이드림(뚱림)의 특허권이 만료된 2011년 이후 10여년간 업계는 림의 형상을 통한 성능 향상에 집중하였지 스포크가 발생시키는 공기저항에는 큰 관심이 없었다. 공기역학적 성능에는 뒷휠보다 앞휠이 중요한데, 림브레이크라면 앞휠 스포크에 제동력도 걸리지 않고, 라이더의 하중도 많이 부담하지 않아 얇은 공기역학적 스텐리스스틸 16~18개면 충분했던 것이 이유 중 하나였다. 

하지만 디스크브레이크 로드바이크에서는 강력한 제동력을 앞휠 스포크가 전달해야 하고, 더 많은 스포크가 필요해졌다. 실제로 많은 메이저 휠 제조사의 디스크브레이크 앞휠은 이제 림브레이크 때와 같은 굵기와 재질의 스포크가 24개 쓰이고 있고, 개수가 늘어난만큼 스포크가 발생시키는 공기저항은 더이상 무시할 수 없게 되었다


2. CX-ray 등의 스포크


CX-ray 스포크(왼쪽)와 버티드스포크(오른쪽)의 단면

에어로 경량 스테인리스스틸 스포크의 대명사가 Sapim사의 CX-ray임을 부정할 수는 없을 것이다. 위 그림에서 해당 제품의 단면형상을 볼 수 있으며 DT SWISS의 에어로라이트, Pillar의 Wing20, CN의 Aero424 등의 제품도 CX-ray와 무게와 형상이 매우 비슷하다. 휠랩이 입수한 윈드터널 실험 결과(데이터는 사정상 공개 불가)를 살펴봐도 해당 제품들 간에 공기역학적인 성능 차이는 무시할 수 있을 정도로 작다. 그렇다면 스포크에서 더이상 공기저항을 줄이는 것은 불가능할까?


3. 더 넙적한 스테인리스스틸 스포크

물론 스테인리스스틸 스포크를 더 넙적하게 펴서 공기저항을 줄일 수 있다. D사는 신형 휠에서 2.3X0.9 mm가 아닌, 3.1X0.7 mm 가량의 스포크를 사용함으로써 공기저항을 1.1 W 줄였다*고 주장하고 있고, M사는 3.5X0.9 mm 스포크를 통해 공기저항을 5 W 줄였다고 주장**하고 있다.

* Bikeradar 기사에서 인용. Cycling Tips에서는 1.1 g 줄였다고 쓰여 있으나 이는 시속 45 km에서 약 0.1 W에 해당하는 미미한 값으로, 실수로 단위를 잘못 쓴 것으로 보임.

**두 회사 모두 타원형 단면을 가진 스포크이며, 3.1X0.7 mm 타원이 3.5X0.9 mm 타원보다 더 공기저항이 낮음은 “elliptical cylinder drag coefficient”를 구글링하고 간단히 두 형상의 종횡비와 두께를 대입하면 매우 쉽게 알 수 있다. D사가 자사 휠의 에어로성능을 과소평가한 것인지, M사가 과장광고하는 것인지는 본 시리즈 “가장 빠른 스포크를 향해”가 진행되며 윤곽이 드러날 것이다. 

CX-ray 스포크와 더 넙적한 스테인리스스틸 스포크

 

4. 외부니플 vs. 내부니플

니플은 스포크에 결합하여 너트의 역할을 하는 부품으로서 휠을 빌딩 및 정렬하는 역할을 하며 스포크와 림의 경계에 위치한다. 이전 단락의 사진에서 가장 왼쪽 제품(휠랩 올타 D5)은 외부니플과 내부니플(림 내부에만 존재)을 번갈아 사용하였고, 가운데 제품은 모두 내부니플이, 오른쪽 제품은 모두 외부니플이 사용되었다. 

공기저항을 줄이기 위해 내부니플을 고집하는 회사도 많고, 정비성을 위해 외부니플을 고집하는 회사도 많다. 실제 두 경우 공기저항 차이는 얼마나 날까. DT SWISS의 홈페이지에서는 이 차이를 0.5 W로 소개하고 있고, SILCA는 트라이애슬론 포럼(https://forum.slowtwitch.com/forum/Slowtwitch_Forums_C1/Triathlon_Forum_F1/Nipples_and_Drag_-_Wheel_Talk_P5072021)을 통해 외부니플과 내부니플의 공기저항 차이가 한두번의 실험으로 비교할 정도로 크지는 않으나 여러 실험을 평균해보면 약 8.9 g(시속 45 km에서 약 0.8 W)라 말하고 있다. 

즉, 외부니플이 0.5~0.9 W 가량의 공기저항을 추가로 발생시키며, 이는 바로 위에서 살펴본 더 납작한 스포크를 통해 얻는 이득에 비해 결코 무시할 수 없는 수치이다. 니플이 스포크에 비해 그 크기가 작지만 이렇게 큰 차이를 내는 것은 휠의 바깥쪽에 있기 때문에 빠른 속도로 회전하며 큰 공기저항을 발생시키기 때문이다. 이러한 점을 고려해 의도적으로 스포크의 납작한 부분을 최대한 바깥쪽까지 유지하여 공기저항을 추가적으로 줄일 수 있다.

스포크의 납작한 부분을 최대한 끝까지 유지한 제품. (우측은 휠랩의 올타 L7)

여러 케이스에 대한 보다 자세한 정확한 분석과 계산은 다음 편에서 다루겠다.




천소산천소산 Ph. D. Cheon, Sosan 
공학자, 사이클리스트, 휠 개발자, CEO



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