먼저 이 포스팅을 보기에 앞서 

몇 시간 동안 회전관성 Moment of Inertia 에 대해 유튜브에서 영상도 보고 100%는 아니지만 어느 정도 이해하고 포스팅 했습니다.

저는 기계와 관련 이해력도 엄청 떨어지고 지식이 너무 없다보니 과연 글로 이해시킬수 있을까 싶어 포스트를 올릴까 몇 번 망설였습니다.

그런데 현재 MotoGP 상황을 이해하는데 너무 큰 도움이 되는 내용이어서 꼭 올리고 싶었습니다.

그러니 저의 이런 무지를 이해하시고 포스팅을 봐주십사 합니다.

번역 역시 어려운 부분이 많았는데요. 틀린 부분 있으면 댓글로 알려주시면 바로 수정하도록 하겠습니다.

대부분의 MotoGP 엔지니어와 이야기를 하면 Race Bike에서 가장 중요한 것은 밸런스와 타협이라는 것을 알 수 있습니다.

한 영역의 성능을 향상시키기 위해 수행하는 모든 작업이 다른 영역을 손상시키는데 예를 들어 바이크를 더 빠르게하면 안정성이 떨어지고 Peak Power를 높이면 Mid Range를 잃게 됩니다.

따라서 엔지니어의 임무는 긍정과 부정을 타협하여 긍정을 최대화하고 부정을 최소화하는 균형을 찾는데 있습니다.

MotoGP 엔진 구성은 모두 긍정과 부정으로 작용합니다.

간단히 말해 V4 엔진은 더 큰 파워를 내는 반면 Inline4 엔진은 더 나은 핸들링을 가능하게 합니다.

In-Line 4 Engine : Yamaha YZR-M1, Suzuki GSX-RR 

V4 Engine : Honda RC213V, Aprilia RS-GP, KTM RC16

L4 "90°V" Engine : Ducati Desmosedici

대부분의 MotoGP 팬이라면 Inline4 엔진을 채용한 Yamaha YZR-M1, Suzuki GSX-RR 의 코너링이 빠른다는 것을 알고 Ducati GP 바이크의 직진 가속성능이 좋다는 것 역시 알고 있습니다.

바이크의 어떤 한 부분은 V4를 더 강력하고 Inline4를 다루기 쉽게 만드는데 가장 큰 역할을 합니다.

그것은 바로 크랭크 샤프트 #Crankshaft 의 길이입니다.

V4의 크랭크 샤프트는 더 짧고 견고하며 베어링 수가 적기 때문에 더 많은 파워를 내는데 도움이 되며 Inline4의 크랭크 샤프트는 더 길기 때문에 바이크를 라이더 친화적으로 만듭니다.

Yamaha의 전직 엔지니어는 Inline4를 채용한 바이크는 섀시가 아니라 엔진 특성으로 인해 코너를 빠르게 주행할 수 있다고 했습니다.

그렇다면 어떤 원리로 이런 엔진 특성을 드러내는 것일까요.

예를 들어 평균대를 걸을때 양손을 벌려 중심을 잡아 안정성을 얻고 피겨 스케이트 선수들이 회전시 팔을 최대한 구부리는 것은 관성 모멘트 #회전관성 #回轉慣性 #Moment of Inertia 를 줄이기 위한 것 입니다.

(질량이 동일할 때 회전 반경의 크기를 변화시켜 회전 속도에 영향을 미치며 반경을 줄여 회전관성을 낮추면 회전 속도를 높일수 있다)

회전관성과 회전중심의 관계

그런데 회전관성은 일반적인 관성과는 다른 점이 있다. 

직진하는 물체의 관성을 변화시키기 위해서는 운동하는 물체에 질량을 공급해 주거나 질량을 버려야 한다. 

달리는 자전거에 한 사람이 더 올라타면 질량과 관성이 커져서 속도도 떨어지고 멈추는 것도 쉽지 않다.

반면 앞 장에서 설명했듯이 두 사람이 탄 자전거 뒤에 한 사람이 뛰어내리면 가속이나 멈추는 것이 쉽다. 

이처럼 관성을 변화시키기 위해서는 질량을 넣거나 빼야 하는데, 회전관성은 질량의 변화 없이도 가능하다. 

회전관성에는 회전하는 물체의 질량뿐 아니라 질량이 회전중심에서 얼마나 떨어져 있는지가 영향을 주기 때문이다.

직선운동을 유지하려는 관성은 질량이 클수록 커지지만, 회전운동을 유지하려는 성질인 회전관성은 회전중심에서 멀리 떨어진 질량에 의해 커진다. 

질량이 회전중심에 있는 경우 쉽게 회전을 하지만, 질량이 회전중심에서 멀어지면 회전운동을 만드는 데 좀 더 큰 힘과 에너지가 들어간다.

회전관성을 I, 질량을 m, 회전 반경을 r이라고 할 때 공식은 다음과 같다. 

I=mr²

회전관성관성모멘트은 질량이 m인 물체가 회전축으로부터 r만큼 떨어져 있다고 했을 때, 떨어진 거리의 제곱과 질량의 곱으로 나타난다. 

1킬로그램의 쇠구슬을 1미터 지름의 원운동으로 돌리는 것보다 2미터 지름으로 돌리는 것이 네 배 더 힘들고, 정지시키는 것도 네 배 더 힘들다는 뜻이다.

출처 - 네이버 포스트 도서출판 바른

아래 영상을 보시면 이해가 쉽습니다.

V4 엔진이 옆으로 기울어지면(코너링) 동일한 상황에서 Inline4 보다 불안정한데 이는 V4의 크랭크축의 회전관성이 낮기 때문이며 Inline4의 더 긴 크랭크 샤프트의 높은 회전관성은 종축을 중심으로 회전하는 속도가 느려 V4에 비해 안정적이며 바이크의 접지력 상실이 적습니다.

크랭크 샤프트가 긴 Inline4가 V4보다 안정적으로 코너에서 가속할 수 있으며 밸런스가 좋아 거의 모든 상황에서 바이크를 보다 쉽게 조종할 수 있습니다.

Inline4의 회전관성은 더 긴 크랭크 샤프트의 회전 유지력 때문에 Off Brake 또는 Off Throttle 단계에서 회전이 유지되며 코너에서 바이크가 일어나려고 하는 성질보다 누운 상태를 유지하려고 하는 성질이 있습니다.

이런 성질로 인해 불필요한 움직임이 감소되고 그립이 향상되며 Bump에도 도움이 됩니다.

"회전관성이 낮으면 회전속도는 빠르지만 불안정하고 회전관성이 높으면 회전속도는 느리지만 안정적이다"

이게 요점인것 같습니다.

그렇다면 요한 자르코 Johann ZARCO 나 호르헤 로렌조 Jorge LORENZO 가 왜 V4 엔진을 채용한 바이크로 고전했는지 이해할 수 있습니다.

Inline4 엔진의 또 하나의 장점은 크기입니다.

Inline4는 V4에 비해 짧고 컴팩트하기 때문에 섀시 설계자가 바이크를 설계할 때 자유도가 증가하고 중심을 전후 좌우의 정확한 위치에 맞출수 있습니다.

물론 위에서 썼지만 Inline4 엔진이 한 방향에서 긍정적이라면 반대로 부정적인 것으로 바뀌는 부분이 있기 때문에 무조건 좋은 엔진이라고 할 수는 없습니다.

엔지니어들은 상대적으로 부정적인 부분을 Geometry를 조정하고 크랭크 샤프트의 설계를 조정하여 이런 부분을 완하합니다.

크랭크 샤프트가 길어 바이크가 라이더 친화적이지만 바이크가 V4 보다 민첩하거나 빠르지 않습니다.

그래서 엔지니어는 Inline4의 크랭크의 무게를 중앙에 집중시킵니다.

Ducati와 Honda V4 엔진을 채용한 바이크는 지난 50회의 그랑프리에서 무려 44회 우승을 기록했고 현재 MotoGP에서 가장 효과적인 엔진 구성이라고 할 수 있을 것입니다.

이는 엔진 레이아웃, 섀시 설계, 라이더의 재능 및 타이어 성능 등 여러 요인 때문입니다.

이런 기계적인 요인인 V4와 Inline4는 라이더와 엔지니어들이 그들만의 방법으로 랩타임을 단축시키고 결과를 나타내는 것입니다.

간단히 말해 Inline4(Yamaha YZR-M1, Suzuki GSX-RR)는 코너에서 U 라인을 그리고 V4(Honda RC213V, Aprilia RS-GP, Aprilia RS-GP, Ducati Desmosedici)는 V 라인 코너를 그리게 됩니다.

"Inline4 엔진을 채용한 바이크는 V4 엔진을 채용한 바이크보다 큰 라인을 그리며 코너를 돌고 회전관성이 낮은 V4 엔진을 채용한 바이크는 브레이킹이 상대적으로 좋기 때문에 코너 진입이 빠르며 코너 탈출시 가속이 좋고 빠릅니다.

이런 V4 바이크 중 대표적인 RC213V의 코너링 라인을 V-Shated Honda Line 이라고 하며 브레이킹을 좀 더 깊숙히 하고 V자 꼭지점에서 탈출시 강한 가속을 하는 것이 특징입니다."

Inline4는 코너속도가 상대적으로 빠르고 V4는 가속(직선)성능과 브레이킹이 상대적으로 좋다고 요약할 수 있습니다.

중요한 것은 Yamaha와 Suzuki가 V4 엔진을 채용한 바이크를 지속적으로 이길수 없다는데 있습니다.

V4, Inline4 엔진의 특성을 알게되니 현재 MotoGP의 상황을 이해하는데 큰 도움이 되는것 같습니다.

마르케즈라는 걸출한 라이더라서가 아니라 Honda, Ducati 바이크를 타는 라이더들의 상위 랭크도 이런 부분의 영향이 있는것 같습니다.

물론 Inline4의 상대적 단점이 가속성, 브레이킹에도 불구하고 쿼타라로, 모비델리, 비냘레스의 활약 역시 부정적인 부분을 그 만큼 보완했다는 것인데.

엔지니어들의 피나는 노력 역시 이해하게 되는 글인것 같습니다.

정말 이 세계는 알수록 어렵고 무궁무진한 컨텐츠가 있어 MotoGP를 끊을수가 없습니다.