림, 높아야 할까 낮아야 할까?

  일반적으로 휠셋의 림은 높을수록 평지에서 유리하고, 낮을수록 오르막에서 유리하다고 알려져있다. 하지만 얼마나 높은 림이 평지에서 와트손실을 얼마나 줄여줄까? 낮고 가벼운 림이 오르막에서 빠르다면 얼마나 어떻게 유리할까? 이러한 질문들에서 충돌하는 두 가지 요소를 정리하자면 '공기저항'과 '무게'이다. 이 글에서는 사이클링 장비에서 가장 중요하게 인식되는 두 가지 요소 사이에서 어떤 방식으로 균형을 잡아야 하는지 간단한 데이터와 계산을 통해 정리해보려 한다.



1. 높은 림은 빠르다. 얼마나?

  현재 웹상에서 구할 수 있는 휠셋의 공기저항 테스트 데이터는 여러가지가 존재한다. 다만 제조사와 제조사의 영향을 받는 매체들을 1차적으로 제외했다. 상대적으로 구하기 쉬우면서도 중립성을 유지하는 자료들 중 NASA출신 엔지니어 Hambini의 데이터를 기준으로 림 높이에 대한 분석을 진행했다. 아래 두 그래프는 Hambini의 데이터에서 아웃라이어들을* 제외한 데이터를 사용해 50kph 와 30kph에서 림 높이에 따른 공기저항 추세선을 그린것이다. (*마빅 CXR : UCI에서 금지한 림 스트립으로 림 높이 대비 공기저항이 낮음. / Sawtooth 형상의 림: 림 높이 대비 공기저항이 높음) 


x축 = 림 높이 / y축 = 공기저항


  그래프에서 몇 가지 재미있는 점을 발견할 수 있다. 첫 번째로 림 높이가 높아짐에 따라 공기저항이 낮아지는 경향은 쉽게 찾아볼 수 있으나, 제품에 따라 편차가 크고 추세선에서 상당히 넓게 퍼져있다. 다시 말해, 림 높이가 분명한 경향성을 가지게 해주지만 휠셋의 다른 요소들도 공기저항에 주는 영향이 크다. 한 가지 예로, 50kph에서의 추세선에서 가장 빠르게 나타난 50mm 휠셋의 공기저항은 80mm, 90mm에 근접하는 성능을 보여준다. 이러한 데이터에 영향을 주는 것은 림의 폭과 형상, 스포크, 니플, 허브 등으로 사실상 휠셋의 모든 요소가 공기저항에 관여한다고 볼 수 있다.

  두 번째로, 림 높이가 일정 수준이상을 넘어가게 되면 공기저항으로 인한 이득이 점차 줄어든다. 40mm > 60mm의 변화가 60mm > 80mm의 변화보다 줄어드는 공기저항이 더 적음을 확인할 수 있으며, 80mm > 90mm를 비교했을때에는 더욱 더 작은 차이를 보인다. 하지만 림 높이가 높아지면 공기저항에서 이득을 얻는 '경향성'은 확실하며, 추세선을 기준으로 보았을 때 낮은 속도에서도 꽤 큰 차이를 확인할 수 있다. 30kph로 달릴  때 40mm 림을 70mm로 교체하면 얻는 이득은 6.7 W 이며 이는 에어로핸들바나 프레임과 비교했을때에도 매우 의미 있는 차이이다. 오르막에 대입한다면 동호인 라이더가 강하게 타는 페이스를 5 W/kg라 가정 했을때 1340 g의 무게가 덜어진 효과라고 볼 수 있다.


  • 50kph이든 30kph이든, 림은 확실히 높을수록 빠르다.
  • 하지만 림 높이 외에 다른 요소들의 영향도 꽤 크다.


2. 오르막에서 무게, 공기저항. 어떤걸 골라야 하나?

단위 : W(와트)

    프로 선수가 아니라면 대부분의 경우 오르막에서 속도는 30kph보다 훨씬 느리다. 앞서 보여준 50kph, 30kph 데이터를 토대로 속도와 림 높이에 따른 공기저항값을 추산할 수 있는데, 이를 통해 저속에서 림 높이에 따른 공기저항을 정리해보면 위와 같다. 표에 정리된 대로, 일반적인 인식과 동일하게 속도가 낮을수록 림 높이에 따른 공기저항 이득은 점점 줄어든다. 20kph에서 림 높이 10mm 당 약 1W정도 차이가 나지만 60mm를 넘어가면 그 아래로 내려가며, 속도가 줄어들수록 1W미만의 이득만이 존재한다.

  한편, 림 높이가 10mm 높아질 경우 카본 휠셋의 무게는 약 80g 증가한다.** 5W/kg 정도의 페이스로 오르막을 오른다면 1kg 무게당 5W의 파워가 필요하며, 10mm 더 높은 림은 80g 늘어난 무게로 인해 0.4W의 추가 파워소모를 필요로한다. 속도가 10kph 정도라면 림이 10mm 높아지면서 0.2W 정도의 공기저항 이득만 존재하기 때문에 0.4 W의 무게에 의한 손해를 극복할 수 없지만, 20kph에서는 공기저항 이득이 1W로 더 커지기 때문에 높은 림으로 공기저항을 낮추는게 더 빠르다. 그럼 이제부터 오르막이 포함된 레이스에서도 60mm 이상을 써야만 할까? (** 림이 높아짐에 따라 측풍영향을 줄이기 위해 림의 형상을 최적화하면 스포크 쪽이 좀더 뾰족한 형태가 되고, 이에 따라 10 mm당 100 g 이상의 무게증가가 필요한 경우도 많다. 대표적인 예로 레이놀즈의 에어로65는 1600 g, 에어로80은 1800 g이므로 10 mm당 133 g의 무게가 증가했으나, 많은 해외 유저들이 해당 휠들은 타사의 40 mm 이하의 휠들보다도 측풍영향이 적다는 리뷰를 한 바가 있다.)

  레이스에 일정 난이도 이상의 오르막이 포함되어 있다면 보통 중요한 어택 혹은 방어 포인트가 된다. 위의 계산대로라면 그 곳을 20kph 로 달린다고 가정하면 70mm를 선택하는 것이 40mm보다 공기저항에서 2.66W이득, 무게에서 1.2W손해로 결과는 1.46W이득이다. 하지만 이는 해당 라이더가 선두에 있을때 기준이며, 20kph에서 드래프팅 효과를 감안하면(30~50%) 70mm의 공기저항 이득은 1W 미만으로 매우 작아지며, 이는 파워가 낮아질수록 작아져 거의 0으로 수렴한다. 이처럼 실제로 얻는 것은 작거나 없지만, 림이 무거워지며 경쾌하지 못한 페달링 감과 가속시의 둔한 느낌 등으로 라이더가 느끼는 불쾌감을 생각하면 오히려 손해일 가능성도 높다. 


  • 독주 혹은 선두에서 오르막을 타는경우, 10kph 이하로 달린다면 경량의 낮은 림이 이득.
  • 20kph 이상으로 달린다면 40mm대비 70mm 림의 공기저항 이득은 1.2W정도로 추산된다.
  • 그룹내에서 탄다면 20kph의 속도로 오르막을 달린다 하여도 드래프팅 효과 때문에 70mm의 공기저항 이득은 상쇄되며, 낮은 림의 가벼움과 경쾌함을 선택하는게 나을 수 있다.



 

  
  천소산 Cheon Sosan
  공학자, 사이클리스트, 휠 개발자, CEO