항공기는 어떻게 나는걸까?(항공기에 작용하는 네가지 힘 - Lift)(1)

항공기에 작용하는 네가지 힘 - Lift

1. 목차
   1. Lift - 양력
   2. 1. 양력의 개념
      2. 양력의 원리
      3. 잘못된 양력 이론
   3. Weight - 중력
   4. Thrust - 추력
   5. Drag - 항력

      

      출처 : www.nasa.gov Bernoulli’s principle

2. Lift - 양력
   1. 양력의 개념
      1. 항공기마다 무게는 다르지만 최소한 자동차 한 대에서 많게는 자동차의 수백수천 배의 무게가 나가는 항공기가 하늘을 날아다닌다. 하지만 항공기에 익숙해져 있는 우리에게는 항공기가 비행하는 것이 크게 신기하다고 느껴지지 않을 때가 많다. 엔진이 있고 날개가 있으면 나는 것 아닌가?라고 생각한다. 정답이다. 엔진이 있고 날개가 있으면 항공기가 날 수 있다. 하지만 우리는 조금 더 항공기에 어떤 힘이 작용해서 항공기가 뜨게 되고 안전하게 비행을 하는지 알아보도록 하자. 먼저 정답부터 말하자면 오늘의 주제인 양력이 항공기가 공중에 뜰 수 있게 해주는 힘이다. 공기가 아래에서 위로 올려주는 압력을 쉽게 양력이라고 생각하면 된다.

         

         출처 : https://msadowski.github.io/drones/drone-course-pt1-lift-force/

   2. Lift의 원리
      1. 항공기가 앞으로 전진하거나 바람이 강하게 불게 되면 우리 눈에는 보이지 않지만 항공기 주위로 공기가 흐른다. 여기서 공기는 유체에 속한다. 항공기 주위, 주로 날개에 흐르는 유체는 아랫면이 고압, 윗면이 저압으로 형성이 되고 고압에서 저압으로 흐르는 성질에 의해 아래에는 위로 힘이 작용하여 Lift가 발생한다. 그러면 왜 아랫면이 고압이 되고 윗면이 저압이 되는지 알아보자.
      2. 약간 위쪽으로 굴곡진 판이 있다고 가정해 보자. 그리고 왼쪽에서 오른쪽으로 공기가 흐른다고 가정하면 윗면의 굴곡진 부분 - B를 지나는 흐름은 처음에는 오르막길을 지나다가 내리막길을 가게 된다. 오르막길을 가다가 갑자기 내리막길을 가게 되면 공기가 정확히 내리막길이 시작될 때 내리막길을 따라 흐르지 못하게 된다. 그리하여 B 지점 오른쪽 부분에 공동(빈 공간)이 생기게 되고 저압이 형성된다. 이 공동은 굴곡이 심할수록 강해진다. 이번에는 아랫면의 굴곡진 부분 - C을 지나는 흐름을 생각해 보자. C의 흐름도 동일하게 오르막길을 지나다가 내리막길의 형태로 윗면과 같지만 다른 조건이 하나 있다. 판의 아랫면이 공기의 흐름을 유도하고 오히려 진로를 방해하는 모양새이다. 이 부분에서 고압이 형성된다. 압력의 정도를 계산해 보면 C가 가장 크고 가장 약한 부분은 B가 되며 A와 D는 대기압을 형성한다.(C > A = D > B) 이것을 항공기 날개에 적용하여 날개의 아랫면은 고압, 윗면은 저압으로 형성되어 Lift가 발생하게 되는 것이다.
      3. 하지만 이 Lift를 수학적으로 정확하게 계산하는 것은 많이 어려우며 그나마 근삿값을 구하기 위해서는 나비에-스토크스 방정식을 이용해야 하나 이 방정식 또한 인간의 머리로는 정상적으로 값을 구할 수 없는 가장 어려운 미분 방정식 중에 하나에 속한다. CFD라는 유체역학 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 항공기를 제작하기 전에 많은 실험을 통해 수정해가는 작업 방식으로 항공기를 설계하고 있다.

         

   3. 잘못된 양력 이론
      1. NASA에서 발행한 자료에 보면 흔히 많이 알려진 잘못된 양력 이론을 소개한다. 위에서도 언급하였듯이 현재 정확히 양력을 구하기 힘들기에 이렇게 잘못된 이론들이 전파가 된다고 본다.

         

         출처 : https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html

         1. 첫 번째, 동시 도착 이론이다. 이 이론은 베르누이 원리를 이용하여 양력 발생의 원리를 설명하려다 보니 나오게 된 잘못된 이론이라고 할 수 있다. 먼저 동시 도착 이론과 베르누이 원리의 핵심만 짚고 넘어가자. 동시 도착 이론의 핵심은 날개 앞쪽에서 갈라진 공기흐름이 날개 뒤쪽에서 동시에 도착하여 만난다는 것이다. 베르누이 원리의 핵심은 ”압력의 변화가 속도 차이를 발생시킨다.”이다. 윗면의 저압은 공기 속도를 빠르게 하고 아랫면의 고압은 공기 속도를 느리게 한다. 두 가지의 이론을 날개에 적용하여 보면 날개의 윗면이 아랫면 보다 더 길기 때문에 동시에 도착하려면 윗면의 속도가 더 빨라야 하고(더 빨라야 더 많이 가기 때문) 속도가 빨라지게 되면 베르누이 정리에 의해 압력이 낮아진다. 그래서 Lift가 발생한다는 이론이다. 하지만 여기서 허점이 있다. 앞쪽에서 갈라진 공기가 진짜로 뒤쪽에서 동시에 도착하여 만나는 가이다. 정답은 만나지 않는다이다. 실제로 풍동 실험을 통해 밝혀진 것으로 아랫면의 짧은 면을 흐르는 공기가 먼저 뒤쪽에 도착한다.

            

            출처 : https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html

         2. 두 번째, 물수제비 이론이다. 물수제비 이론이란 날개 아랫면의 공기 흐름이 아랫면을 때려서 그 힘의 작용-반작용에 의해 양력이 발생한다.라는 것이다. 여기서 짚고 넘어가야 할 것은 두 가지이다. 먼저 그렇다면 윗면의 모양이 어떻게 되든 아랫면만이 양력에 관여한다는 것인가. 상상해 보자 윗면이 산처럼 뾰족 솟아있는 날개를 단 비행기를.. 분명히 윗면의 형태도 양력에 관여한다는 것이다. 두 번째로 이 이론이 얼핏 맞는 것처럼 느껴지는 이유는 뉴턴 작용-반작용에 의해 아래 면에 흐르는 공기가 아래 면을 미는 힘이 있다는 것이다. 하지만 공기의 밀도가 극히 작아서 그 힘은 항공기를 띄우기에는 적은 힘이라는 것이다.

            

            출처 : https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html

         3. 세 번째, 벤츄리 관 이론이다. 벤츄리관 이론이란 유체의 흐르는 도관이 좁아지면 속도가 빨라진다는 것이다. 벤츄리 관을 반으로 자르면 날개의 형태와 비슷하여 나온 이론이다. 하지만 이 또한 짚고 넘어가야 할 점이 두 가지 있다. 먼저 벤츄리 관에서 도관이 좁아지는 지점에서 가장 속도가 빠른 지점은 좁아진 도관의 가장 자리가 아닌 도관의 중간이라는 것이다.

            

            하지만 항공기 날개의 윗면에서 제일 가까운 지점에서 속도가 가장 빠르면 윗면으로부터 멀어질수록 날개의 영향이 약해서 대기의 원래 속도와 동일해진다. 두 번째로 항공기 날개는 도관에서의 운동이 아니라는 것이다. 도관내에서의 움직이라고 하려면 지구의 어느 지점을 도관의 끝이라고 지정하여야 하는데 그것이 가능할 리가 없다.
         4. 이외에도 몇 가지 더 잘못된 이론들이 있지만 NASA에서 설명한 대표적인 잘못된 세 가지 이론을 오늘 살펴보았다.