양력을 파헤쳐보자- 양력 2편(2)

양력(Lift)

1.  차례
2. 유체의 특성
   1. 공기는 유체
   2. 점성
   3. 밀도
   1. 대기
      1. 보일의 법칙
      2. 샤를의 법칙
      3. 아보가드로의 법칙
      4. 이상기체 방정식
      5. 수증기
3. 대기
   1. 아보가드로의 법칙 
      1. 아보가드로의 법칙이란 “온도와 압력이 일정하다면 부피는 기체 입자의 몰수에 비례한다.”이다.
      2. 여기서 기체 입자의 몰수란 내 방안에 있는 친구들의 수라고 보면 된다. 내 방안에 친구들이 7명 보다 늘어나서 10명 20명… 늘어나면 친구들이 차지하는 면적이 늘어나게 된다. 공기 내에 공기 분자들의 개수가 늘어나면 점점 공기가 차지하는 부피가 늘어나게 된다. 그래서 온도와 압력이 일정하면 공기의 부피는 공기 분자의 수에 비례한다.

         

   2. 이상기체 방정식
      1. 위 세 가지 법칙(보일의 법칙, 샤를의 법칙, 아보가드로의 법칙)을 잘 합치게 되면 이상기체 방정식이라는 것이 나온다. 말이 조금 어렵지만 수식으로 나타내서 하나하나 파헤쳐 보자.
      2. 이상기체 방정식 : pV = nRT
         1. p : 기체의 압력, V : 기체의 부피, n : 기체입자의 몰수, R : 보편기체상수, T : 절대 온도
      3. 이상기체 방정식을 이용하면 위 세 가지 법칙을 조금 더 쉽게 이해가 가능하다.
      4. 먼저 p(압력)이 일정할 때 T(온도)가 증가했다고 가정해 보자. =은 기준으로 오른쪽 편은 T가 증가했기 때문에 값이 늘어났을 것이다. 오른쪽 편과 왼편이 같다는 식이 성립하려면 p는 고정이기 때문에 V(부피)가 커져야 한다. 다시 말해 온도가 증가하면 부피가 커진다는 샤를의 법칙이 증명된 것이다.
      5. 위처럼 동일하게 하나가 일정하다고 가정하면 다른 보일의 법칙이나 아보가드로의 법칙 또한 설명이 가능하다.
   3. 수증기
      1. 온도, 압력 말고 대기에 영향을 미치는 것이 하나 더 있다. 바로 수증기이다. 공기의 습도에 따라 공기의 밀도가 달라진다. 밀도란 단위 부피당 질량이라고 했다. 정해진 공간 안에 무거운 공기가 있으면 공기 밀도가 높고 가벼운 공기가 있으면 공기 밀도가 낮다는 것이다. 그러면 습도 즉, 수증기는 공기보다 가벼운지 무거운지만 알면 된다. 수증기가 공기보다 무거우면 수분이 많아지면 많아질수록 더 무거워질 테니 밀도가 커진다. 직관적으로 공기보다 수증기가 더 무거울 것 같지 않나?
      2. 정답은 수증기가 더 가볍다. 그래서 습도가 크면 공기 밀도는 작아진다. 공기의 99%는 질소와 산소로 이루어져 있다. 복잡하게 느낄 수도 있지만 조금만 더 들어가 보면 산소(O2)의 분자량은 32, 질소(N2)의 분자량은 28이다. 수증기(H2O)의 분자량은 18이다. 공기 중에 산소와 질소 대신 수증기가 포함되면 공기 전체의 분자량은 가벼워진다. 그래서 단위 부피당 질량이 작아진다. 즉, 밀도가 작아진다.
         
   4. 양력
      1. 양력을 조금 더 파헤쳐 보기 위해 너무 많은 것들을 공부한 것 같다. 하지만 이렇게 앞에 많은 것들의 개념 정리한 이유는 양력 공식을 조금 더 깊게 이해하기 위해서다.
      2. 양력 공식 = CL 1/2 ρV^2 S
         1. 여기서 ρ는 밀도를 뜻한다. 위에 설명한 모든 것들은 공기의 밀도에 영향을 준다. 세 가지 법칙은 온도, 몰수, 압력이 공기의 부피에 영향을 줘서 공기의 밀도가 변하고, 수증기는 질량에 영향을 공기의 밀도가 변하게 했다.
         2. CL은 양력 계수로서 그 물체 가지는 고유한 값으로 날개의 Flap이 Extend 되거나 받음각을 변화시키면 달라진다.
         3. V는 항공기 속도를 뜻한다.
         4. S는 면적으로서 날개의 면적이라고 보면 된다.
      3. 위의 양력 공식을 토대로 큰 양력을 발생시키기 위해서는 양력 계수(Flap 작동, 받음각 크게) 크게 만들거나, 공기 밀도(온도 낮게, 압력 크게, 기체 입자 많게) 크게 하거나, 항공기 속도를 빠르게 하거나, 항공기 날개 면적을 크게 만들면 된다.
   5. 다음으로 양력을 크게 하기 위해 날개가 어떤 식으로 설계가 되며 Flap, 받음각이 어떻게 양력을 크게 만드는지 알아보도록 하자.

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