비행기 날개 원리 - bihaeng-gi nalgae wonli

비행기가 뜨는 원리, 어떻게 하늘을 날까?(양력)

우리는 항상 지구 중심 쪽으로 중력의 영향을 받는다. 중력을 거스르고 비행기를 공중에 띄우는 힘을 발생시키는 원리는 무엇일까?

양력(Lift)은 뜨는 힘을 말한다. 사전적인 정의를 보면 '유체 속을 운동하는 물체에 운동 방향과 수직 방향으로 작용하는 힘. 비행기는 날개에서 생기는 이 힘에 의하여 공중을 날 수 있다.'라고 되어있다. 

대기는 공기로 둘러싸여 있다. 우리 눈에는 보이지 않지만 공기를 느낄 수는 있다. 예를 들어 달리는 자동차에서 창밖으로 팔을 뻗어보면 팔이 뒤로 밀리는 걸 느낄 수 있다. 만약 손으로 날개 모양을 만들면 손이 떠오르는 걸 느낄 수 있다.(진짜???ㅋㅋ) 이때 팔이 날개의 역할을 했다고 할 수 있다. 아마 팔을 잘 펼치면 자동차가 공중에 뜰 수 도 있지 않을까? 팔이 떠오르는 것과 비행기가 떠오르는 것은 공기의 힘인 것이다.

공기와 양력이 도대체 무슨 관계가 있느냐 궁금해지는데 공기란 것은 결국 보이지는 않지만 실제로 존재하는 힘을 가진 유체이다. 그리고 비행기가 뜨는데 이 유체가 가진 힘을 이용해 1) 베르누이의 정리 2) 작용 반작용의 법칙을 가지고 설명을 할 수 있다.

베르누이의 정리

항공에 관심을 가지신 분이라면 들어보셨을지도 모르는 베르누이의 정리. 날개 그림이 그려져 있고 날개 위로 흐르는 공기 흐름과 날개 아래로 흐르는 공기 흐름이 압력의 차이를 만들어서 양력을 만들어 낸다는 이론이다. 베르누이 정리는 유체역학의 기본 법칙 중 하나로 '비압축성의 점성이 없는 이상적인 유체에서 적용되는 방정식'이다. 초등학교 때 과학행사나 수업시간에 이런 실험을 해본 적이 있을 수도 있다. 종이 한 장을 들고 종이 위로 바람을 불면 종이가 위로 들리는 실험이다. 이것도 베르누이 공식으로 설명될 수 있다. 

압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동한다. 베르누이는 유체는 빠르게 흐르면 압력이 감소하고, 느리게 흐르면 압력이 증가한다는 법칙을 알아냈다. 좁은 곳을 통과할 때는 속력이 빨라지기 때문에 압력이 감소하고, 넓은 곳을 통과할 때에는 속력이 느려지기 때문에 압력이 증가하는데 비행기 날개의 위쪽은 곡선으로 되어 있어 상대적으로 이동해야 할 거리가 늘어나고 공기가 빠르게 이동하면서 공기 입자의 간격이 멀어져 압력이 낮아지는 것이다. 

베르누이의 정리에 따르면 공기라는 유체에 일정한 흐름으로 비행기 주위로 흘러줄 때 이런 현상이 나타나는데 비행기를 띄울 정도로 바람이 불어 주진 않으니 프로펠러나 제트엔진을 이용해 비행기를 앞으로 이동시키고 이때 생기는 상대적인 공기의 흐름에 의해 양력을 만들어 낸다. 이렇게 비행기가 앞으로 나가면서 생기는 상대적인 바람을 상대풍이라 한다.

베르누이의 정리 자체는 옳은 이론이지만 이를 설명함에 있어 틀린 내용이 있다. '날개 앞쪽에서 시작된 공기의 흐름은 날개 뒤쪽에서 만나게 되는데 날개 위쪽의 길이는 길고 아래쪽이 짧게 때문에 날개 위쪽의 속도가 더 빠르다'는 것인데, 날개 앞쪽에서 같이 출발했다고 날개의 뒷부분에서 만난다는 것은 잘못된 사실이며 오히려 날개 위쪽의 흐름이 아래쪽보다 더 빨리 지나간다. 

날개 위쪽의 흐름이 빠른 것은 커브 때문이다. 날개가 비스듬하게 누워있기 때문에 날개에는 받음각(AOA. Angle of attack)이 생긴다. 받음각을 기준으로 윗면의 압력이 상대적으로 적어진다. 여기서 베르누이의 '압력이 적으면 이동하는 원자의 속도가 올라간다'는 원칙이 적용된다. 그리고 그 압력 차이로 양력이 발생된다. 원자가 이동해야 할 거리 때문에 압력의 차이가 발생하는 것이 아니다. 

또 한 가지 확인해야 할 것은 날개가 꼭 유선형이어야 이런 현상이 생기는 것이 아니란 것이다. 예를 들어 비행기가 뒤집어서 배면비행을 해도 비행이 가능한 것을 들 수 있다. 

날개가 벤투리 노즐처럼 작용하여 공기가 흘러갈 수 있는 공간을 축소시켜 흐름이 빨라지고 그로 인해 압력이 적어진다는 이론도 잘못된 이론이다. 날개는 벤투리 노즐과는 다르다.

또 한 가지 이해해야 하는 게 코안다효과(Coanda effect)인데 이는 유체의 흐름이 주변 물체의 표면에 붙어있으려고 하는 성질을 말한다. 빠르게 흐르는 유체가 가까운 평면 또는 공선의 표면에 붙어 흐르면서 유체를 주변으로부터 끌어당겨 낮은 압력이 생성된다. 날개의 꼬리(Tailing edge)가 뾰족한 이유와 아래쪽으로 비스듬히 꺾여서 양력을 생성하는 이유를 설명해 줄 수 있다.

작용 반작용의 법칙

뉴턴의 운동법칙 3가지가 있다. 제1법칙 관성의 법칙, 제2법칙 가속도의 법칙, 제3법칙 작용 반작용의 법칙이다. 대부분의 물체의 운동은 뉴턴의 이 세 가지 법칙을 이용해 설명할 수 있다. 작용 반작용의 법칙은 복잡한 수식으로 설명하지 않아도 '한 물체가 다른 물체에 힘을 작용하면 다른 물체에는 반대 방향으로 같은 크기의 힘이 작용한다'라는 설명으로 이해할 수 있다. 로켓이 우주로 날아갈 수 있는 것은 로켈이 가스를 밑으로 밀어내면 로켓을 밀어 로켓은 위로 날아가는 것이다. 

이 이론을 가지고 공기가 날개 아랫면을 때려서 비행기가 하늘로 뜬다고 설명하는 이론이 있지만 이는 틀린 것이다. NASA는 그것은 'Skipping Stone'이라 한다. Skipping Stone은 물수제비를 말한다. 돌멩이를 비스듬히 물가에 던져 돌멩이가 물에 부딪혀 튕기는 그 현상이다. 뉴튼의 제3법칙인 작용 반작용의 법칙은 비행기가 나는데 이렇게 적용되지 않는다. 아래 그림은 뉴턴의 제3법칙을 적용한 양력의 발생원리이다. 공기 흐름이 아래 방향으로 꺾여 그 반대방향으로 양력이 발생하는 것 이것이 작용 반작용이 정확히 적용된 설명이다.

[데일리포스트=최 율리아나 기자] “초등학교 3학년 아들이 비행기는 어떻게 하늘을 날아 다닐 수 있는지 물어보길래 엔진의 힘으로 비행한다고 대답해줬습니다. 하지만 솔직히 아이에게 비행의 원리가 무엇인지 몰라서 에둘러 말했는데 저 역시 궁금합니다. 무거운 비행기가 어떻게 하늘을 날 수 있는지 그 원리를 알려주세요.” (페이스북 ID 피노키오 Mam)

하늘을 날아다니기 위한 인류의 노력은 상상을 초월할 만큼 오래됐다. 하지만 비행의 원리를 알지 못했던 인류의 하늘 정복 시대는 실패를 거듭해왔다. 인류가 탑승할 수 있고 비행이 가능했던 시기는 지난 1903년 라이트 형제의 ‘라이트 플라이어(Wright Flyer)’를 꼽을 수 있다.

1903년 12월 17일 미국 노스캐롤라이나 키티호크 해변에서 인류 최초로 비행에 성공한 라이트 형제의 ‘라이트 플라이어‘의 비행시간은 불과 12초였다.

12초에 불과했지만 인간이 직접 조정을 하고 엔진을 통해 하늘을 날아오른 비행기의 기술은 시대를 거듭할수록 과학기술의 발달을 통해 이제 우주까지 진출하는 첨단 기술의 초석이 됐다.

라이트 형제의 최초의 비행 성공 이후 100년이 지난 현대의 비행기들은 공학적으로 정말 놀라울 만큼 기술적 발전을 이뤄냈다. 현대의 비행기들은 공중에서 격동적이고 예측할수 없는 전류를 극복하며 복잡한 조작을 수행하며 하늘을 자유롭게 횡단하고 있다.

글로벌 생활과학 전문 미디어 ’데일리포스트‘는 엄청난 무게의 금속 비행기가 하늘을 자유롭게 날아다닐 수 있는 원리는 무엇이며 조종사들이 비행 장치를 조작할 때 어떤 원리로 비행이 가능한지 ’과학이 궁금해‘를 통해 살펴보겠다.

비행기의 날개와 꼬리는 많은 움직이는 부분을 가지고 있다. 날개 전체와 그 다른 부품들에서 흥미로운 점은 그들이 유체역학에서 매우 특별한 형태를 만들고 있다는 것이다.

바로 비행기 에어포일 형태를 말한다. 이 간단한 모양 뒤에 있는 물리학을 이해하는 것만으로도 우리는 비행기 물리학을 완전히 이해할 수 있게 만들어준다.

그럼 에어포일에 대해 알아보자. 에어포일(Airfoil)은 공기 중에 이동할 때 양력을 발생시킨다. 이 양력은 비행기를 날게 만든다. 여기서 양력(Lift)은 뉴턴의 법칙을 알고 있다면 쉽게 이해할 수 있다.

양력은 비행속도의 제곱에 비례하고 비행속도와 양력이 증가하게 된다. 반면 비행속도가 감소하면 양력 역시 감소하게 된다. 이는 비행기의 속도가 빠를수록 더 안정적으로 공중에서 떠 있을 수 있다.

또 하나 양력은 날개의 면적이 크면 클수록 양력의 힘도 커진다. 무거운 짐을 운반하는 수송기나 여객기는 그만큼 더 많은 양력이 요구된다.

이처럼 사람을 가득 태운 여객기나 짐을 실은 수송기의 날개는 면적이 넓게 제작돼 더 많은 양력을 얻게 된다는 것을 의미한다. 이와 반대로 가벼우면서도 초음속도를 자랑하는 전투기는 상대적으로 날개의 면적이 작다.

비행기를 떠오르게 하는 양력의 크기는 받음각(Angle of Attack)과 비행속도, 날개 모양에 따라 다르다. 받음각은 공기가 흐름의 방향과 날개의 경사각을 이루는 이른바 ’각도‘를 의미한다.

일반적으로 받음각이 커질수록 양력도 증가하게 되지만 받음각이 일정한 수준을 넘어서면 양력이 감소해 항력이 증가하게 된다. 항력은 비행기의 움직이는 방향과 반대로 작용하는 힘이므로 항력이 커지면 비행기가 추락할 수 있다.

그렇다면 비행기의 속도는 어떻게 조절하고 방향의 전환 방식은 무엇인가?

비행기가 일정한 속도로 수평비행을 위해 무엇보다 중요한 것은 ▲추진력 ▲저항력 ▲양력▲중력 등 4가지의 힘을 바탕으로 평형이 이뤄진다. (이미지 참조)

항공기술교육원 관계자는 “비행기가 떠오르는 것은 비행기 날개를 지나는 공기의 흐름 덕분”이라며 “공기는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르기 때문에 날개 위의 압력이 아래보다 낮기 때문에 비행기가 일정속도 이상 달리면 위쪽으로 들어올리는 양력이 커지면서 비행기가 떠오르게 된다. 이를 베르누이 법칙이라고 한다.”고 설명했다.

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