[스크랩] 물리 - 비행기가 나는 원리

[류명한]

비행기에 작용하는 힘
비행기가 하늘을 나는 것은 네 가지의 힘이 서로 상호작용하기 때문이다. 그것은 양력, 중력, 항력, 추력이다. 예를 들면 비행기가 수평으로 나는 것은 날개의 양력이 비행기에 작용하는 중력과 평형을 이루고 있기 때문이다. 또한 어떤 속도로 공기 속을 진행하면 날개 및 비행기 전체에 공기저항(항력)이 발생한다. 그래서 비행기가 전진을 하려면 이 항력을 극복해야 하는데 프로펠러나 제트엔진 등으로 얻는 추력을 항력보다 증가 시켜야 한다. 만약 이 네 가지의 힘 중 하나가 급격히 무너진다면 이 비행기는 끔찍한 사고를 일으키게 될 것이다.
△ 양력(Lift)
공기와 날개가 만나서 항공기가 위로 뜰 수 있게 하는 힘이다. 비행기가 뜨기 위해서는 이 양력이 가장 중요하다. 양력의 발생 원리를 이해하려면 베루누이의 원리를 알고 있어야 한다. 이것은 "유체의 속력이 증가하면 압력은 감소한다"는 것이다.
위의 그림은 비행기 주익의 단면이다. 그림에서 보듯이 주익의 윗면은 곡선이기 때문에 아랫면보다 길이가 더 길다. 비행기가 전진할 때 주익 앞에 있던 공기는 주익의 위와 아래로 갈라지고, 다시 주익 끝에서 만나게 된다. 위와 아래로 갈라진 공기가 주익 끝에서 만날려면 아랫면을 흐르는 공기보다 유속이 빨라야 하는 것은 당연하다. 여기서 베루누이의 원리가 적용되는 것이다. 즉 주익 윗면의 유속이 빠르므로 압력이 감소하게 되고 위로 뜨는 힘(양력)이 발생하게 된다.
△ 추력(Drag)
비행기에 달린 엔진에 의해 앞으로 나아가는 힘을 말한다. 이것은 Newton 제3법칙인 작용 반작용에 의한 것이다. 즉 프로펠러나 제트엔진에 의해서 뒤로 밀리는(또는 분사되는) 공기가 기체에 대한 반작용으로 움직이게 되는 것이다. 비행기가 비행할 때 소요되는 연료는 추력을 얻는데 모두 소모되는 것이며, 소비되는 연료의 양으로써 추력의 크기를 조절한다. 추력이 항력보다 크면 속도가 증가하고, 추력이 항력보다 작으면 속도가 감소한다. 이륙할 때는 추력이 항력보다 크고, 공중에서 일정한 속도로 비행을 할 때는 추력과 항력의 힘이 같다는 것을 의미하며, 착륙할 때에는 추력보다 항력이 큰 것이다.
△ 중력(Weight)
지구가 비행기를 당기는 힘이다. 양력과 반대되는 힘이다. 즉 양력이 중력보다 크면 비행기는 상승하고, 양력이 중력과 같을 때는 일정한 고도로 비행한다는 것을 의미한다. 비행기는 항력이 작고, 양력이 클수록 경제적으로 날 수 있다.
△ 항력(Thrust)
비행기가 전진하는데 방해가 되는 힘을 말한다. 예로 비행기의 표면과 공기와의 마찰력이나 기체 전부분에 부딪치는 공기를 들 수 있다. 그래서 비행기 설계시 항력을 최소화하기 위해 기체를 유선형으로 한다. 이는 자동차의 설계와 맥락을 같이한다.
주익의 형태
양력의 발생조건에서 위로 볼록한 주익의 형태를 들었었다. 그러나 이것은 이론일 뿐이고 실제로는 예외가 많이 있다. 가장 쉬운 예로 종이 비행기의 날개를 들 수 있다. 누가 종이 비행기를 만들면서 주익을 위의 그림처럼 만드는 것을 본 적이 있는가? 또 다른 예로는 항공공학의 이론이 상당히 체계화된 2차 세계대전 이후에 곡예 전용으로 설계된 비행기 중에는 날개 단면이 위렙틔》?완전한 대칭이며 날개 취부각이 0도인 경우도 있었는데 이는 이론상으로는 전혀 날 수 없는 구조이지만, 실제로는 아주 잘 날랐다고 한다. 또한 라이트 형제가 처음 비행에 성공한 Flyer호의 날개는 단면이 그냥 평평한 판에 불과했다. 그 후에 비행기 제작자들은 양력효율을 높이고 실속에 잘 빠지지 않는 날개를 개발하느라 다양한 형태의 단면을 실험하여 오늘날 정형화된 여러 종류의 주익 형태로 발전하게 된 것이다.
비록 주익의 형태가 자유롭다고는 하지만 전통적인 구조에서 벗어난 비행기는 거의 대부분 원하는 성능을 내지 못할 뿐 아니라 때로는 조종사를 죽음에 이르게 할 정도로 위험하다. 설사 비행에 성공했다고 해도 그렇게 바뀐 모양으로 얻을 수 있는 부가적 성능 향상은 기존 비행기가 충분히 제공하는 경제성이나 안정된 비행성능에 비해 미미했고, 제작의 복잡성 또한 증가하여 그냥 만들어본 자체로 만족해야 할 정도이다. 참고로 주익의 형태가 특이한 F-117은 컴퓨터의 도움 없이는 조종이 불가능하다고 한다.
그렇다면 전통적인 의미의 주익은 무엇인가? 주익이란 양력을 발생시켜서 비행기를 하늘로 뜰 수 있도록 하는 넓직한 판 형탱의 구조물이다. 날개는 항공역학의 원리에 따라 양력을 발생시키며 여러 형태의 단면이 실험되지만 대체로 위에서 내려다 볼 때 가로가 세로에 비해 길며 단면은 저항을 줄이고 공기 흐름을 원활히 하기 위해 전체적으로 유선을 유지한 구조이다.
주익의 성능에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 주익 단면과 주익의 가로세로비(Aspect Ratio)이다. 주익의 효율을 높이려면 단면의 형태도 중요하지만 주익이 길어야 한다. 긴 주익이 효율이 좋은 이유는 날개 끝에서 발생하는 와류의 영향을 적게 받기 때문이다. 에어쇼에서 글라이더 곡예를 보면 과연 잘 만들어진 날개가 받을 수 있는 양력이 얼마나 크다는 것을 알 수 있다.


-- 류명한