(3) Theories in the Production of Lift

Theories in the Production of Lift

 

공기보다 무거운 기계를 타고 비행하기 위해서는 몇 가지 장애물을 극복해야 한다. 이러한 장애물들 중 하나는 이전에 언급하였던 움직임에 대한 저항(즉, 항력)이다. 허나 항공기가 극복해야 할 가장 어려운 장애물은 바로 중력이다. 공기를 통과하여 움직이는 날개는 양력이라 불리는 힘을 발생시킨다. 중력의 힘보다 더 큰 양력이 날개에서 중력의 반대 방향으로 발생해야 항공기가 비행할 수 있게 된다. 양력 발생은 몇 가지 중요한 원리에 기초한다(뉴턴의 운동 법칙과 베르누이의 원리).

 

Newton's Basic Laws of Motion

 

양력 발생은 지난 몇 세기 동안 기본 물리 법칙을 바탕으로 발전해왔다. 이러한 법칙들은 양력의 모든 측면에 적용되는 것처럼 보이지만 사실 양력이 어떻게 발생하는지를 완전히 설명하지는 못한다. 예를 들어 대칭 에어포일의 경우에는 에어포일이 대칭임에도 불구하고 상당한 양력을 발생시킨다.

 

(출처: youtube/안될과학 Unrealscience)

뉴턴의 1법칙: “모든 물체는 외부의 힘에 의해 그 상태가 바뀌지 않는 한 정지 상태, 혹은 일정하게 움직이는 상태를 유지한다.”

 

이는 어떠한 외부의 힘이 발생하기 전까지는 물체가 움직임을 시작하거나 움직임을 멈추지 않는다는 것을 의미한다. 멈춰있는 항공기는 그 관성이 극복될 수 있을 정도의 강력한 힘이 가해지지 않는 한 정지 상태를 유지한다. 항공기가 움직이기 시작하면 관성에 의해 계속하여 움직이게 되며 항공기에 작용하는 여러 외부 힘들이 그 움직임에 영향을 미친다. 이러한 힘들은 항공기의 움직임을 증가시키거나, 감속시키거나, 혹은 방향을 변화시킬 수 있다.

 

뉴턴의 2법칙: “힘은 시간 당 운동량의 변화와 같다. 질량이 일정하다면 힘은 질량에 가속도를 곱한 것과 같다.”

 

물체에 일정한 힘이 작용할 때 그 가속도는 물체의 질량에 반비례하고 힘에 비례한다. 이 법칙은 뉴턴의 제 1법칙을 극복하는데 필요한 요소들을 설명한다. 뉴턴의 제 2법칙은 방향의 변화와 속도의 변화를 모두 다룬다(예를 들어 정지 상태에서의 가속[+ 가속도]과 운동 상태에서의 정지[- 가속도]).

 

뉴턴의 3법칙: “모든 작용에는 동일한, 그리고 반대쪽으로 향하는 반작용이 있다.”

 

비행기의 프로펠러는 공기를 뒤로 밀어내며 이로 인해 공기가 프로펠러를 반대 방향(전방)으로 밀어낸다. 제트 비행기의 엔진은 뜨거운 가스를 뒤로 밀어내며 이로 인해 반작용이 엔진을 밀어내 비행기를 앞으로 나아가게 만든다.

 

Bernoulli's Principle of Differential Pressure

 

베르누이는 움직이는 유체(액체나 기체)의 압력이 속도에 따라 어떻게 변화하는지를 설명하였다. 베르누이의 원리에 따르면 움직이는 유체의 속도가 증가할수록 유체 내의 압력은 감소한다. 이 원리는 비행기 날개의 굴곡진 윗면을 지나가는 공기에 무슨 일이 일어나는지를 설명한다.

 

벤투리 튜브를 통해 베르누이의 원리를 실제로 응용할 수 있다. 벤투리 튜브에는 점점 좁아지는 공기 입구와 점점 넓어지는 공기 출구가 있다. 출구의 직경은 입구의 직경과 동일하다. 튜브로 유입되는 공기의 질량은 튜브에서 배출되는 공기의 질량과 정확히 같아야 한다. 모든 지점에서 동일한 시간 동안 동일한 양의 공기가 통과하기 위해선 좁아지는 지점의 공기 속도가 증가해야 한다. 공기의 속도가 빨라지면 압력이 줄어든다. 좁아지는 지점을 통과한 후에는 공기 속도가 느려지고 압력이 증가한다. [그림 4-4]

공기는 유체이므로 이 법칙을 따른다. 이를 통해 비행기 날개가 어떻게, 그리고 왜 양력을 발생시키는지 알 수 있다. 날개가 공기를 통과하여 움직일 때 날개 윗면의 굴곡을 가로지르는 공기가 증속해서 저압 영역을 형성한다.