[원리] 비행의 원리 Part.1 힘

 

  오늘날 우리는 수십 수백톤에 달하는 비행기들이 하루에도 몇 번씩 우리 머리 위를 날아다니는 시대에 살고 있습니다. 50킬로그램의 역기를 들기도 어려운데 수십 수백톤에 달하는 비행기는 어떻게 하늘을 자유 자재로 날아다닐 수 있을까요? 바로 힘의 균형 입니다. 비행기가 가만히 서있다면 비행기는 떠오르는 힘을 만들 수 없습니다. 하지만 비행기의 날개와 비행기의 움직임이 만나면 힘은 균형을 맞추기 위해 비행기를 들어올리게 됩니다. 그럼 지금부터 이 힘의 균형에 대해 좀 더 자세히 이야기해 보도록 하겠습니다.

 

비행기가 비행하는데 필요한 4가지 힘

  비행기에 작용하는 4가지 힘은 중력 / 양력 / 추력 / 항력 입니다. 먼저 중력은 익히 알고 있는 힘인데요, 모든 물체는 고유의 질량이 있고, 질량에 따라 받는 중력의 크기도 다릅니다. 물체에 작용하는 중력의 크기가 크면 우리는 이를 "무겁다"라고 표현을 하죠. 비행기의 경우 작은 여객기의 경우 중량이 10~20t가량 되는 반면 대형 여객기인 경우는 40~60t에 육박합니다. 그럼 이렇게 무거운 중력을 거스르면서 비행기를 하늘에 띄우는 힘은 무었일까요?

 

  바로 양력이 비행기를 하늘에 띄우는 주된 힘입니다. 양력은 알면 알 수록 설명하기 쉽지 않은 힘인데요, 최대한 쉽게 풀어 설명해 보겠습니다. 양력은 뉴턴의 작용-반작용 법칙과 압력차로 인해 발생하는 힘의 총 합이라고 할 수 있습니다.

 

  위의 그림을 예시로 설명하자면, 최초 공기의 흐름은 날개 좌측과 같습니다. 그런데 공기가 날개를 만난 후 흐름의 방향이 날개 우측과 같이 바뀌었습니다. 공기도 결국 질량을 가진 입자이고, 입자의 운동방향이 변했다면 힘이 가해진 것이죠. 즉 날개에서 공기에게 힘이 가해져 공기의 흐름의 방향이 변한것이고, 힘을 가한 날개는 반작용으로 공기에게 가해진 힘의 방향과 반대 방향으로 힘을 받게 되는데 이것이 양력에 일부입니다.

 

  또한 날개 상하단부의 공기의 흐름에도 주목하여야 하는데요, 모든 날개의 단면은 평면이 아닌 상하가 비대칭적인 곡률을 가집니다. 이러한 곡률은 날개 상하단부의 공기의 속도를 다르게 변화시키는데요, 날개의 상단부는 공기의 속도가 상대적으로 낮아지도록 설계된 반면 날개의 하단부는 공기의 속도에 큰 영향을 주지 않도록 설계되어 있습니다. 때문에 공기의 속도가 낮아진 날개 상단부의 압력이 낮아지게 되며 상대적으로 공기의 압력이 높은 아래쪽에서 공기의 압력이 낮은 위쪽으로 힘이 발생합니다. 이것이 양력의 대부분을 차지하는 힘입니다.

 

  추력은 엔진에서 발생시키는 힘으로써, 항공기 기체를 앞으로 밀어내는 방향으로 작용합니다. 추력을 만드는 엔진은 다양한 종류가 있으나 크게 제트엔진과, 프로펠러, 그리고 터보프로펠러 엔진으로 구분할 수 있습니다. 엔진에 대한 이야기는 추후에 자세하게 다룰 예정입니다.

 

  항력은 기체가 비행을 할 때 기체 진행방향의 반대방향으로 작용하는 모든 힘을 의미합니다. 기체의 공기저항으로 발생하는 힘이 가장 주된 항력입니다. 때문에 모든 비행기는 공기저항을 최소화 하기 위해 유선형으로 디자인됩니다. 하지만 의도적으로 항력을 증가시키는 경우도 있는데요, 바로 스포일러라고 불리기도 하는 에어브레이크입니다. 스포일러는 항공기가 비행중이나 착륙단계에서 속도를 낮추기 위해 표면을 전개하여 공기와 접촉하는 면적을 늘려 발생하는 공기저항을 늘리는 원리입니다. 비행기가 빠르게 비행하다보니 기체를 통과한 공기가 기체 끝부분에서 소용돌이 치며 만들어지는 와류도 항력에 일조하게 됩니다.