파워가 측정하는 것과 속도와 다른 점
사이클링 파워는 라이더가 역학적 일을 하는 속도로, 와트 단위로 측정됩니다. 반면 속도는 단순히 단위 시간당 이동한 거리이며 외부 조건에 크게 좌우됩니다. 동일한 파워 출력이라도 경사, 바람, 노면 상태에 따라 매우 다른 속도를 냅니다. 시속 10km로 가파른 언덕을 오르는 라이더는 시속 30km로 평지를 달리는 같은 라이더보다 훨씬 더 큰 파워를 내고 있을 수 있는데, 오르막에서는 그 파워 대부분이 전진 속도가 아니라 중력에 대항해 몸과 자전거의 무게를 들어 올리는 데 쓰이기 때문입니다.
이것이 파워가 사이클링 훈련과 레이싱에서 선호되는 노력 측정 지표가 된 이유입니다. 속도와 달리 파워는 언덕, 바람, 드래프팅에 의해 왜곡되지 않으므로 라이더의 생리적 출력을 직접 반영하며, 체중으로 정규화하면 세션 간, 라이더 간 비교가 가능합니다.
물리학 모델: 세 가지 저항력
마틴 등(1998)과 같은 연구에서 실제 측정된 파워와 비교해 검증된 이 정립된 물리학 모델은 세 가지 저항력을 합산하고 속도를 곱한 뒤, 체인과 베어링의 마찰 손실을 반영하기 위해 드라이브트레인 효율로 나누어 특정 속도로 달리는 데 필요한 파워를 계산합니다. 중력에 의한 힘은 라이더와 자전거를 합한 질량에 중력 가속도와 도로 경사각의 사인 값을 곱한 것입니다. 구름 저항은 같은 합산 질량에 중력 가속도, 도로 경사각의 코사인 값, 구름 저항 계수를 곱한 것입니다. 공기역학적 항력은 속도의 제곱에 비례해 커지며, 이는 이를 극복하는 데 필요한 파워가 속도의 세제곱에 비례해 커진다는 것을 의미합니다.
특정 라이더와 자전거의 실제 항력 및 구름 저항 파라미터는 전용 테스트 없이는 거의 알려지지 않기 때문에, 물리학 모델 계산기에서는 일반적으로 발표된 표준값을 고정 가정으로 사용합니다: 아스팔트 위 로드 타이어를 대표하는 구름 저항 계수(Crr) 0.005, 후드를 잡고 타는 로드 라이더를 대표하는 유효 전면 면적(CdA) 0.32제곱미터, 섭씨 15도 해수면 표준값인 공기 밀도 1.225kg/세제곱미터, 그리고 발표된 체인 구동 측정치에 부합하는 드라이브트레인 효율 97.5%입니다. 무풍 상태이며 맞바람이나 뒷바람은 없다고 가정합니다.
- P = (F_gravity + F_rolling + F_aero) × v / 0.975
- F_gravity = (m_rider + m_bike) × 9.8067 × sin(atan(grade% / 100))
- F_rolling = (m_rider + m_bike) × 9.8067 × cos(atan(grade% / 100)) × 0.005
- F_aero = 0.5 × 1.225 × 0.32 × v^2 (v는 m/s 단위)
고속에서 공기 저항이 지배적인 이유
아래 표는 무풍 상태의 평지에서 75kg 라이더와 9kg 자전거에 대해 위의 표준 가정을 사용한 모델 추정치를 보여줍니다. 속도가 높아질수록 공기 저항을 극복하는 데 쓰이는 파워의 비중이 꾸준히 증가하는 점에 주목하세요. 공기역학적 항력은 대기 속도의 제곱에 비례해 커지므로 이를 극복하는 파워는 세제곱에 비례해 커지는 반면, 구름 저항은 속도와 거의 무관하게 일정하게 유지됩니다.
| 속도 | 추정 파워 | 공기 저항이 차지하는 비중 |
|---|---|---|
| 20 km/h | ≈ 58 W | ≈ 59% |
| 25 km/h | ≈ 97 W | ≈ 70% |
| 30 km/h | ≈ 152 W | ≈ 77% |
| 35 km/h | ≈ 226 W | ≈ 82% |
| 40 km/h | ≈ 323 W | ≈ 85% |
비교 지표로서의 체중당 와트
체중당 와트는 파워 출력을 라이더 체중으로 나눈 값으로, 가파른 경사에서의 등반 속도는 대체로 전체 시스템 체중 대비 파워에 의해 결정되기 때문에 사이클링에서 표준 정규화 지표로 사용됩니다. 반대로 평지에서는 도로 경사각이 거의 0에 가까워 중력이 거의 작용하지 않으므로 속도는 대체로 공기역학적 항력 대비 절대 파워에 의해 결정됩니다. 이는 앨런, 코건, 맥그리거의 「Training and Racing with a Power Meter」를 비롯한 파워 기반 훈련 문헌에 문서화되어 있으며, 이 책은 체중이 다른 라이더 간 성적을 비교하는 표준 축으로 체중당 와트를 사용합니다.
지속 가능한 체중당 와트는 훈련 배경, 노력 지속 시간, 나이 등 여러 개인적 요인에 따라 크게 달라지므로 모든 라이더에게 적용되는 단일 「좋은」 수치는 없습니다. 일정한 노력 지속 시간에서 개인의 체중당 와트 수치를 시간에 따라 비교하는 것이 다른 라이더와 비교하는 것보다 일반적으로 더 유익합니다.
FTP란 무엇인가
기능적 threshold 파워(FTP)는 앨런, 코건, 맥그리거의 「Training and Racing with a Power Meter」에 설명된 파워 기반 훈련 문헌의 개념으로, 라이더가 약 1시간 동안 준정상 생리적 상태로 유지할 수 있는 최고 파워 출력을 가리킵니다. 이는 개인별 기준점으로 기능합니다. 라이더마다 절대 파워 능력이 크게 다르기 때문에, 운동 목표 강도를 라이더 자신의 FTP 대비 백분율로 표현하면 모든 라이더에게 의미 없을 고정된 와트값 대신 개인화된 훈련 구간을 설정할 수 있습니다.
FTP는 평생 고정된 단일 숫자가 아니라 체력이 변함에 따라 함께 변하며, 이것이 파워 기반 훈련 프로그램이 주기적으로 이를 재평가하는 이유입니다. 이 글은 개념만을 다루며, FTP를 추정하기 위한 구체적인 필드 테스트 프로토콜은 다루지 않습니다. 테스트 방법론과 적절한 강도 진행은 자격을 갖춘 코치나 원 훈련 문헌의 지도를 받는 것이 가장 좋습니다.
자주 묻는 질문
자전거에서 파워와 속도의 차이는 무엇인가요?
파워는 와트로 측정되는, 라이더가 생산하는 역학적 일의 속도이며, 속도는 단순히 단위 시간당 이동한 거리입니다. 속도는 경사, 바람, 드래프팅에 크게 왜곡됩니다. 동일한 파워 출력이라도 오르막과 평지에서 매우 다른 속도를 내는데, 이것이 파워가 생리적 노력을 더 직접적이고 비교 가능하게 측정하는 지표로 여겨지는 이유입니다.
사이클링 파워는 물리학적으로 어떻게 계산되나요?
표준 물리학 모델은 중력, 구름 저항, 공기역학적 항력이라는 세 가지 저항력을 합산해 주행 속도를 곱한 뒤 드라이브트레인 효율로 나눕니다. 라이더 자신의 실측값을 구할 수 없을 때는 발표된 표준 상수(구름 저항 계수 0.005, 전면 면적 0.32제곱미터, 공기 밀도 1.225kg/세제곱미터, 드라이브트레인 효율 97.5%)가 흔히 사용됩니다.
좋은 체중당 와트 값은 어느 정도인가요?
체중당 와트는 파워를 라이더 체중으로 나눈 값이며, 오르막에서 속도가 대체로 전체 체중 대비 파워에 의해 결정되기 때문에 오르막에서 가장 중요합니다. 지속 가능한 체중당 와트는 훈련 배경, 노력 지속 시간, 나이에 따라 크게 달라지므로 모든 라이더에게 적용되는 단일 「좋은」 수치는 없습니다. 일정한 지속 시간에서 개인의 값을 시간에 따라 추적하는 것이 다른 라이더와 비교하는 것보다 더 유익합니다.
사이클링에서 FTP는 무엇을 의미하나요?
FTP, 즉 기능적 threshold 파워는 라이더가 약 1시간 동안 준정상 생리적 상태로 유지할 수 있는 최고 파워 출력으로, 파워 기반 훈련 문헌(앨런, 코건, 맥그리거)에서 설명된 개념입니다. 이는 개인화된 기준점 역할을 하며, 훈련 강도는 흔히 고정된 와트값이 아니라 라이더 자신의 FTP 대비 백분율로 표현됩니다.
고속에서 공기 저항이 왜 더 중요해지나요?
공기역학적 항력은 대기 속도의 제곱에 비례해 커지고, 이를 극복하는 데 필요한 파워는 속도의 세제곱에 비례해 커지는 반면, 구름 저항은 속도와 거의 무관하게 일정합니다. 표준 물리학 모델에서 공기 저항은 시속 20km에서 전체 파워의 약 59%를 차지하지만 시속 40km에서는 약 85%까지 오르는데, 이것이 레이싱 속도에서 공기역학이 사이클링 성능을 지배하는 이유입니다.
참고 자료
- Martin JC, Milliken DL, Cobb JE, McFadden KL, Coggan AR. Validation of a mathematical model for road cycling power. Journal of Applied Biomechanics 1998; 14(3): 276-291.
- Wilson DG. Bicycling Science, 3rd edition. MIT Press, 2004.
- Allen H, Coggan AR, McGregor S. Training and Racing with a Power Meter, 3rd edition. VeloPress, 2019.
- International Civil Aviation Organization (ICAO). Standard Atmosphere -- sea-level air density 1.225 kg/m^3 at 15 degrees Celsius.
- American College of Sports Medicine. ACSM's Guidelines for Exercise Testing and Prescription, 11th edition. Wolters Kluwer, 2021.