수막현상

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1. 개요
2. 원인
3. 발생 시 대처 방법
- 3.1. 자동차
- 3.2. 항공기
4. 예방
- 4.1. 운전자
- 4.2. 도로 관리
5. 관련 사고 사례
- 5.1. 대한민국
- 5.2. 해외
참조

1. 개요

수막 현상은 타이어가 노면의 물을 제대로 배수하지 못해 타이어가 노면에서 떠오르는 현상으로, 차량 제어가 어려워지는 상황을 의미한다. 이는 타이어 마모, 과속, 노면의 물 양 증가, 타이어 공기압 부족, 타이어 회전 방향 오류 등 다양한 요인에 의해 발생하며, 젖은 노면에서 속도를 줄이고, 적절한 타이어 관리를 통해 예방할 수 있다. 수막 현상은 차량뿐만 아니라 항공기 착륙 시에도 발생하여 사고의 원인이 되기도 하며, 도로 및 활주로의 배수 시설 정비, 홈 가공 등을 통해 사고를 예방할 수 있다.

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수막현상
현상 개요
정의	타이어와 노면 사이에 수막이 형성되어 접지력을 상실하는 현상
다른 이름	수막 현상 aquaplaning (아쿠아플래닝) hydroplaning (하이드로플래닝)
원인	젖은 노면에서의 고속 주행 시 타이어 배수 능력 부족
결과	조향 및 제동 불능으로 인한 사고 위험 증가
발생 조건
주요 요인	높은 속도 많은 양의 물 마모된 타이어 낮은 타이어 공기압
속도	일반적으로 시속 80km 이상에서 발생 가능
수심	타이어가 완전히 잠길 정도는 아니어도 충분히 발생 가능
타이어 상태	마모된 타이어는 배수 능력이 떨어져 수막 현상에 취약함
영향
차량 제어	조향, 제동, 가속 등 모든 차량 제어 불가능
사고 위험	차량이 물 위를 떠다니는 상태가 되어 사고 위험 급증
운전자의 대처	당황하지 않고 가속 페달에서 발을 떼고, 핸들을 움직이지 않고 속도를 줄이며, 엔진 브레이크 사용
예방 및 대처
사전 예방	젖은 노면에서 감속 운전 마모된 타이어 교체 적정 타이어 공기압 유지 수막 현상 발생 시 대처법 숙지
발생 시 대처	가속 페달에서 발을 떼기 핸들을 움직이지 않기 엔진 브레이크 사용 (수동 변속기 차량) 또는 브레이크 페달을 부드럽게 여러 번 나눠 밟기 (자동 변속기 차량) 속도가 줄어들 때까지 기다리기
관련 기술 및 장치
타이어 디자인	배수 성능 향상을 위한 특수 트레드 패턴 설계
미끄럼 방지 제동 장치 (ABS)	브레이크 잠김 방지를 통해 조향 능력 유지에 도움
차체 자세 제어 장치 (ESC)	차량 자세 제어를 통해 안정성 확보에 도움
기타
참고 사항	수막 현상은 운전자의 경험과 숙련도와 관계없이 발생할 수 있음

2. 원인

수막 현상은 타이어가 노면의 물을 충분히 배수하지 못할 때 발생한다.^[2]^[3] 이는 타이어와 노면 사이의 마찰력에 의존하는 차량의 방향이나 속도 변경 기능을 저해한다. 고무 타이어의 홈은 젖은 노면에서도 높은 마찰력을 유지하기 위해 타이어 아래의 물을 분산시키는 역할을 한다. 그러나 타이어가 분산시킬 수 있는 양보다 더 많은 물을 만나면 수막 현상이 발생한다.

수막 현상은 다음과 같은 요인들에 의해 발생하기 쉽다.^[17]

요인	설명
타이어 마모	마모로 인해 홈이 얕아지면 타이어의 배수성이 저하된다. 홈에 모래, 작은 돌, 눈 등의 이물질이 있는 경우에도 유사한 문제가 발생한다.
수량 증가	노면에 고인 물의 양이 많아지면 타이어 홈의 배수 용량을 초과한다.
타이어 공기압 부족	타이어 공기압이 부족하면 타이어와 노면의 접지 면적이 넓어지고 접지압이 낮아진다.
과속	고속 주행 중 물웅덩이에 진입하면 물의 점성으로 인해 타이어의 배수 능력이 저하된다. 또한, 고속 주행 시 박리 기류나 강풍 등의 영향으로 발생하는 상향 모멘트와의 상승 작용이 발생할 수 있다.
타이어 회전 방향 오장착	타이어(트레드 패턴)의 회전 방향이 지정된 경우, 반대 방향으로 장착하면 배수 능력이 저하된다.

바퀴 앞쪽의 수압은 타이어 앞쪽 가장자리 아래로 물을 밀어 넣어 타이어를 노면에서 뜨게 한다. 이로 인해 타이어는 물 위를 미끄러지며 노면과의 접촉이 거의 또는 전혀 없이 제어 불능 상태가 된다. 여러 타이어에서 수막 현상이 발생하면 차량은 방향 제어를 잃고 미끄러질 수 있다.

2. 1. 노면 요인

다져진 바퀴 자국 및 종방향 홈의 깊이: 대형 차량은 시간이 지남에 따라 포장 도로에 바퀴 자국을 만들어 물이 고이게 할 수 있다.^[2]
포장 도로의 미세 및 거시 표면 질감: 콘크리트는 핫믹스 아스팔트보다 바퀴 자국 형성에 더 나은 저항성을 제공하므로 더 나을 수 있지만, 이는 표면의 노후화와 포장 시 사용된 시공 기술에 따라 달라진다.^[4] 콘크리트는 또한 충분한 질감을 확보하기 위해 특별한 주의가 필요하다.
포장 도로 횡단 경사 및 종단 경사: 횡단 경사는 도로의 횡단면이 뒤집힌 U자 모양과 얼마나 유사한지를 나타낸다. 횡단 경사가 높을수록 물이 더 쉽게 배수된다.^[5] 종단 경사는 특정 지점에서의 도로의 가파른 정도이며, 이는 배수와 차량이 도로에 가하는 힘에 모두 영향을 미친다. 차량은 오르막길을 주행할 때 수막 현상이 발생할 가능성이 적고, 물이 고이는 경향이 있는 두 개의 연결된 언덕의 골짜기에서 수막 현상이 발생할 가능성이 훨씬 더 높다.
포장 도로의 폭: 도로가 넓을수록 동일한 수준의 배수를 달성하기 위해 더 높은 횡단 경사가 필요하다.
도로 곡률
강우 강도 및 지속 시간: 강우 강도가 높고 지속 시간이 길수록 수막 현상의 위험이 커진다.^[3]

2. 2. 차량 요인

타이어 마모, 타이어 공기압, 타이어 트레드 패턴 및 종횡비, 차량 속도, 차량 무게 및 유형은 수막현상에 영향을 미치는 차량 요인이다.

타이어 마모: 타이어가 마모되면 트레드 깊이가 얕아져 배수 능력이 저하되므로 수막현상이 더 쉽게 발생한다. 반쯤 마모된 트레드는 새 타이어보다 약 3km/h에서 4km/h 낮은 속도에서 수막현상을 일으킨다.^[6]
타이어 공기압: 타이어 공기압이 부족하면 타이어가 안쪽으로 굽어 타이어 중심부가 들리고, 접지 면적이 넓어져 수막현상이 발생하기 쉽다.
타이어 트레드 종횡비: 접지면이 길고 얇을수록 수막현상을 일으킬 가능성이 낮다. 따라서 직경이 작고 넓은 타이어가 수막현상 위험이 가장 크다.
차량 무게: 적절하게 공기압이 채워진 타이어에 더 많은 무게가 가해지면 접지면이 길어져 종횡비가 개선된다. 그러나 타이어 공기압이 부족한 경우에는 무게가 반대 효과를 낼 수 있다.
차량 유형: 세미 트레일러와 같이 무게 분산이 고르지 못한 조합 차량은 불균등한 수막현상이 발생할 가능성이 더 크다. 예를 들어, 적재되지 않은 트레일러는 트레일러를 견인하는 차량보다 더 빨리 수막현상을 일으키며, 트레일러를 견인하는 픽업트럭 또는 SUV도 유사한 문제를 야기한다.

일반적으로 자동차는 45km/h에서 58km/h 이상의 속도에서 수막현상이 시작된다.^[8]

수막현상이 발생하는 속도는 다음 방정식으로 근사할 수 있다.

:

V_p=10.35\sqrt{p}

여기서

p

는 타이어 공기압을 psi 단위로 나타내며,

V_p

는 차량이 완전히 수막현상을 시작하는 속도를 mph 단위로 나타낸다.^[9] 예를 들어 타이어 공기압이 35 psi인 차량은 약 61mph에서 타이어가 노면과의 접촉을 잃는다고 근사할 수 있다.

하지만 위 방정식은 매우 대략적인 근사치만 제공하며, 실제로는 차량 무게, 타이어 폭, 트레드 패턴 등 여러 요인이 복합적으로 작용한다.

수막현상은 타이어의 배수 능력과 관련이 깊다.

타이어 마모: 타이어가 마모되어 홈이 얕아지면 타이어의 배수성이 나빠져 수막현상이 발생하기 쉽다. 홈 내부에 모래, 작은 돌, 눈 등의 이물질이 들어간 경우에도 유사한 상황이 발생한다.
타이어 공기압 부족: 타이어 공기압이 부족하면 타이어와 노면의 접지 면적이 커지고, 접지압이 저하되어 배수가 어려워진다.
타이어 회전 방향의 잘못된 장착: 타이어 트레드 패턴의 회전 방향 지정이 있는 경우, 반대 방향으로 장착하면 배수가 원활하지 않아 수막현상이 발생할 수 있다.

2. 3. 기타 요인

타이어(트레드 패턴)에 회전 방향 지정이 있는 경우, 반대 방향으로 장착하면 배수 능력이 저하된다.^[17]

3. 발생 시 대처 방법

수막 현상이 발생하면 차량 제어가 어려워지므로, 당황하지 않고 침착하게 대처하는 것이 중요하다. 마찰 계수가 극단적으로 낮은 노면 결빙과 비슷하게, 핸들을 제대로 잡은 채 액셀 페달에서 천천히 발을 떼고 엔진 브레이크로 감속하여 타이어의 마찰력이 회복될 때까지 기다리는 것이 좋다.^[2]^[3]

비행기의 경우 착륙 시 활주로가 젖어 있다면, 타이어를 활주로에 강하게 부딪혀 착륙함으로써 수막 현상을 방지한다.

3. 1. 자동차

차량이 직선으로 주행 중이라면, 약간 헐렁한 느낌이 들기 시작할 수 있다. 정상적인 상황에서 높은 수준의 노면 감각이 있었다면, 갑자기 감소할 수 있다. 작은 수정 제어 입력은 효과가 없다.^[2]^[3]

구동 바퀴가 수막 현상을 겪는다면, 바퀴가 회전하기 시작하면서 엔진 RPM과 표시 속도가 갑자기 크게 증가하는 소리가 들릴 수 있다. 넓은 고속도로 회전 구간에서 앞바퀴가 접지력을 잃으면, 차량은 갑자기 굽은 바깥쪽으로 미끄러질 것이다. 뒷바퀴가 접지력을 잃으면, 차량의 뒷부분이 측면으로 미끄러져 스키드 상태가 된다. 만약 네 바퀴 모두가 동시에 수막 현상을 겪는다면, 차량은 직선으로 미끄러지며, 회전 시에는 다시 굽은 바깥쪽으로 미끄러진다. 어떤 바퀴 또는 모든 바퀴가 접지력을 되찾으면, 해당 바퀴가 향하는 방향으로 갑작스러운 쏠림 현상이 발생할 수 있다.^[2]^[3]

수막 현상 발생 시 운전자의 조작은 역효과를 낼 수 있다. 차가 회전하고 있지 않다면, 액셀 페달에서 발을 떼는 것이 견인력을 되찾을 수 있을 정도로 충분히 속도를 늦출 수 있다. 조향 조작은 차를 스키드로 몰아넣을 수 있으며, 이로부터 회복하는 것은 어렵거나 불가능할 수 있다. 제동이 불가피한 경우, 운전자는 부드럽게 제동해야 하며 불안정성에 대비해야 한다.^[2]^[3]

뒷바퀴 수막 현상으로 오버스티어가 발생하면, 운전자는 뒷 타이어가 견인력을 되찾을 때까지 미끄러지는 방향으로 조향한 다음, 차를 똑바로 세우기 위해 반대 방향으로 빠르게 조향해야 한다.^[2]^[3]

완전히 수막현상이 발생한 상태가 되면 차량의 컨트롤이 전혀 되지 않아, 무리하게 조작하면 스핀에 빠져 오히려 위험해질 수 있으므로 운전자가 할 수 있는 일은 없고, 이 상태가 해소될 때까지 상황에 맡기는 수밖에 없다.^[2]^[3]

마찰 계수가 극단적으로 낮은 노면 결빙과 마찬가지로, 급격한 조작도 스핀에 빠질 가능성이 있으므로, 핸들을 제대로 잡은 채 액셀 페달에서 천천히 발을 떼고, 엔진 브레이크로 감속하여 타이어의 마찰력이 회복될 때까지 아무것도 하지 않는 것이 좋다.^[2]^[3]

3. 2. 항공기

항공기가 활주로에 착륙할 때 노면이 젖어 있으면 수막 현상이 발생하여 제동 효과와 방향 제어 능력이 감소한다.^[11] 조종사는 이러한 상황에 대처하기 위해 다음과 같은 조치를 취해야 한다.

홈이 파인 활주로에 착륙: 가능하다면 홈이 파인 활주로에 착륙하여 수막 현상 발생 가능성을 줄인다. 1965년 미국 대표단은 로열 항공 연구소의 홈이 파인 활주로를 방문하여 수막 현상 감소 효과를 확인했으며, 이후 FAA와 NASA의 연구를 통해 전 세계 주요 공항에 홈 가공 활주로가 채택되었다.^[18]
터치다운 속도 조절: 안전을 고려하여 가능한 한 느린 속도로 착륙한다.
적절한 제동: 노즈 기어를 활주로에 내린 후 적절한 제동을 가한다. 미끄러짐이 감지되면 브레이크 압력을 풀고 바퀴가 회전하도록 해야 한다.
방향 제어: 방향타를 사용하여 방향 제어를 유지한다.
공기 저항 이용: 감속이 감지되지 않고 수막 현상이 의심되는 경우, 노즈를 들고 공기 저항을 이용하여 감속한다.
측풍 주의: 측풍이 부는 상황에서는 항공기가 바람 방향으로 미끄러질 수 있으므로, 조종사 운용 매뉴얼에 기재된 최대 허용 측풍 성분보다 강한 폭우 속에서는 착륙을 피해야 한다.

일본어판 위키에 따르면, 항공기는 착륙 시 타이어를 활주로에 강하게 부딪혀 착륙함으로써 수막 현상을 방지한다.^[18]

4. 예방

수막 현상을 대처하는 최선의 방법은 예방이다. 수막 현상을 유발하는 요소를 피해야 한다. 적절한 타이어 공기압을 유지하고, 좁고 마모되지 않은 타이어를 사용하며, 건조한 노면에서 적절하다고 판단되는 속도보다 속도를 줄이는 것이 수막 현상의 위험을 완화할 수 있다. 또한, 고인 물을 피하는 것도 중요하다.^[2]^[3] 젖거나 얼어붙은 도로에서는 크루즈 컨트롤을 사용해서는 안 된다. 고인 물과 노면 상태의 변화로 인해 부드럽고 시기 적절한 속도 감소가 필요할 수 있기 때문이다.

4. 1. 운전자

젖은 노면에서는 속도를 줄이고, 특히 물웅덩이를 지날 때는 더욱 주의해야 한다. 대한민국 도로교통법에서는 젖은 노면에서의 감속 운행을 규정하고 있다. 타이어 마모 상태, 공기압, 트레드 패턴 등을 정기적으로 점검해야 한다. 젖은 노면에서는 크루즈 컨트롤 사용을 자제하는 것이 좋다.^[1]

전자 제어 주행 안정 장치는 방어 운전 기술과 적절한 타이어 선택을 대체할 수 없다. 이러한 시스템은 선택적 휠 제동에 의존하며, 이는 다시 노면 접촉에 달려 있다. 차량이 트랙션을 회복할 수 있을 만큼 충분히 속도가 줄어들 때, 주행 안정 장치는 미끄러짐으로부터 회복하는 데 도움이 될 수 있지만, 수막 현상을 예방할 수는 없다.^[1]

4. 2. 도로 관리

도로 관리에서 수막 현상을 줄이기 위한 방법은 다음과 같다.

'''바퀴 자국 및 종방향 홈 관리''': 대형 차량으로 인해 포장 도로에 바퀴 자국이 생겨 물이 고이는 것을 방지한다.
'''횡단 경사 및 종단 경사 관리''':^[5] 횡단 경사는 도로의 횡단면이 뒤집힌 U자 모양과 얼마나 유사한지를 나타내며, 높을수록 배수가 잘 된다. 종단 경사는 특정 지점의 도로 경사도로, 배수와 차량 하중에 영향을 준다. 대부분의 도로 설계 매뉴얼은 강우 시 두꺼운 수막 형성을 막기 위해 모든 도로 구간에서 배수 경사가 0.5%를 초과하도록 규정한다.
'''도로 폭 관리''': 도로가 넓을수록 동일한 배수 수준을 위해 더 높은 횡단 경사가 필요하다.
'''투수성 포장 사용''': 투수성 아스팔트 또는 콘크리트를 사용하여 횡단 경사 변화 지점의 배수를 개선할 수 있다.
'''활주로 홈 가공 (항공기)''': 1965년 미국 대표단은 로열 항공 연구소의 홈이 있는 활주로를 방문, 수막 현상 감소 효과를 확인하고 FAA와 NASA 연구를 시작했다. 이후 얇은 홈을 콘크리트에 만들어 물을 분산시키는 홈 가공 방식이 전 세계 주요 공항에 채택되었다.

5. 관련 사고 사례

수막 현상으로 인한 사고는 전 세계적으로 발생하고 있다. 대한민국에서는 2014년 레이디스 코드 교통 사고가 빗길 수막 현상이 원인 중 하나로 지목되었다.^[19] 해외 사고 사례는 다음과 같다.

1969년 미 공군 RC-135S 항공기 셰미아 섬 공군 기지 착륙 중 오버런 사고 (승무원 18명 생존)
1977년 TAP 포르투갈 항공 425편 추락 사고: 브뤼셀 공항발 마데이라 공항행 보잉 727-282Adv 항공기가 악천후 속 수막 현상으로 착륙 실패 및 오버런 (승무원 및 승객 164명 중 131명 사망)
2006년 애틀랜틱 에어웨이즈 670편 오버런 사고: 소라 공항발 몰데행 BAe146-200A 항공기가 경유지인 스토드 공항 착륙 중 스포일러 고장 및 긴급 브레이크 작동으로 인한 ABS 해제로 수막 현상 발생, 활주로 오버런 및 절벽 추락 (승무원 및 승객 16명 중 4명 사망)
2014년 F1 세계 선수권 일본 그랑프리 중 줄 비앙키 선수 사고: 폭우 속 수막 현상으로 제어 불능 상태가 되어 중장비와 충돌, 2015년 7월 17일 혼수상태로 사망^[20]^[21]
2019년 마이애미 항공 인터내셔널 293편 착륙 실패 사고: 리워드 포인트 비행장발 잭슨빌 해군 항공 기지행 보잉 737-81Q 항공기 착륙 시 활주로 홈 미설치로 인한 수막 현상 발생 및 세인트존스 강 착수

5. 1. 대한민국

2014년 레이디스 코드 교통 사고는 빗길 수막 현상이 원인 중 하나로 지목된 사고이다.^[19]

5. 2. 해외

1969년 1월 13일, 미 공군 RC-135S가 셰미아 섬의 공군 기지에 착륙할 때, 수막 현상에 의한 오버런으로 기체가 손실되었으나 승무원 18명은 사망하지 않았다.^[19]

1977년 11월 19일, 브뤼셀 공항발 마데이라 공항행 TAP 포르투갈 항공 425편 추락 사고(보잉 727-282Adv, CS-TBR)이 마데이라 공항에 착륙하는 데 실패하여 오버런하여 승무원과 승객 164명 중 131명이 사망했다. 사고 당시 공항 주변은 악천후에 시달렸으며, 수막 현상이 발생했다.

2006년 10월 10일, 소라 공항발 몰데행 애틀랜틱 에어웨이즈 670편 오버런 사고(BAe146-200A, OY-CRG)이 경유지인 스토드 공항에 착륙할 때 활주로를 오버런하여 절벽 아래로 추락하여 승무원과 승객 16명 중 4명이 사망했다. 착륙 시에, 스포일러가 고장나서 승무원이 긴급 브레이크를 작동시켰지만, 그것으로 인해 ABS가 해제되어 수막 현상이 발생했다.

2014년 10월 5일, F1 세계 선수권 일본 그랑프리의 후반에, 폭우 속에서 줄 비앙키의 머신에 수막 현상이 발생하여 제어 불능 상태가 되었고, 아드리안 수틸의 머신의 철거 작업 중이던 중장비와 충돌했다. 미에현립 종합 의료 센터로 이송되어 긴급 수술을 받았지만, 9개월 후인 2015년 7월 17일에 혼수 상태로 사망했다.^[20]^[21]

2019년 5월 3일, 리워드 포인트 비행장발 잭슨빌 해군 항공 기지행 마이애미 항공 인터내셔널 293편 착륙 실패 사고(보잉 737-81Q)이 착륙 시 활주로를 오버런하여 세인트존스 강에 착수했다. 활주로에 홈이 파여 있지 않아 수막 현상이 발생했다.

참조

_[1] 웹사이트 Preventing Loss of Traction http://www.school-fo[...] School for Champions 2012-01-13
_[2] 웹사이트 Roadway Hydroplaning - The Trouble with Highway Cross Slope http://www.crashfore[...] 2006-01
_[3] 서적 Roadway Safety and Tort Liability Lawyers & Judges Publishing Company
_[4] 웹사이트 Archived copy https://web.archive.[...] 2009-03-28
_[5] 웹사이트 http://www.roadex.or[...] 2010-01-31
_[6] 간행물 Don't lose your grip in wet weather 2011-02
_[7] 웹사이트 Archived copy https://web.archive.[...] 2009-10-06
_[8] 웹사이트 Best and Worst Tires in All Weather Conditions https://www.consumer[...] 2017-07-30
_[9] 간행물 Phenomena of Pneumatic Tire Hydroplaning https://ntrs.nasa.go[...] 1963-11-01
_[10] 웹사이트 REPORT ON GROOVED RUNWAY EXPERIENCE AT WASHINGTON NATIONAL AIRPORT https://archive.org/[...] Federal Aviation Administration 2017-02-05
_[11] 간행물 1/2009 G-XLAC G-BWDA G-EMBO Section 1 http://www.aaib.gov.[...] Air Accidents Investigation Branch
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_[13] 문서 タイヤ工業におけるシミュレーション技術について https://doi.org/10.6[...]
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_[18] 뉴스 飛行機が「ドスンと着陸する」のはむしろ高度な技？　林先生の解説が話題に https://sirabee.com/[...] NEWSY 2017-12-11
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_[20] 웹사이트 ジュール・ビアンキ、事故時の衝撃は254G https://f1-gate.com/[...] 2022-12-10
_[21] 웹사이트 【F1レーサーの死亡事故】その原因と事故後に活かされた安全対策とレギュレーション変更 {{!}} MOBY [モビー] https://car-moby.jp/[...] 2022-12-10

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