비행기가 뜨는 원리, 어떻게 하늘을 날까?(양력)

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

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.

풍동실험

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

뉴튼의 제3법칙 '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. 

 

Skipping Stone

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.