수백 톤이나 되는 비행기가 어떻게 가뿐히 떠오를 수 있을까?
라이트 형제가 세계 최초로 사람을 태운 동력 비행에 성공한 이후로 백여 년이 흘렀다.
그동안 비행기는 공기 저항을 줄이는 착륙 장치와 주날개를 뒤로 젖히는 방식으로 훨씬 빨라졌고, 기체의 꼬리에 날개를 더해 안정성까지 높아졌다. 한 사람만 태울 수 있던 비행기는 이제 오백 명이 넘는 사람들을 태우고 더 멀리 더 빠르게 이동한다.
이렇게 비행기의 형태와 성능은 발전하고 다양해졌지만, 움직이고 날아오르는 데 필요한 힘은 모두 동일하다. 프로펠러로 힘을 내는 비행기나 제트 엔진을 달고 나는 비행기, 속도가 마하 2를 넘는 제트 전투기와 상공에서 위험천만하게 회전하는 곡예비행기도 마찬가지다. 따라서 글라이더에 작용하는 힘만 알아도, 여객기부터 곡예비행기까지 모든 비행기가 움직이는 힘과 날아오르는 힘을 이해할 수 있다.
비행기가 날아오를 때는
어떤 힘들이 작용할까?
양력 · 중력 · 추력 · 항력
양력은 무엇일까?
비행기가 뜨기 위해서는 일단 공중에서 비행기를 받치는 힘이 필요하다.
그 힘을 ‘양력’이라고 하며, 주날개에서 발생한다.
비행기에 작용하는 양력이 중력(비행기 무게)보다 커야지만 이륙하여 상승한다.
양력과 중력이 같으면 비행기는 수평으로 비행한다.
양력이 중력보다 작아지면 비행기는 하강한다.
기체 자체의 무게에 승객과 화물, 연료 등의 등의 무게를 더한 것이 비행기 무게다.
따라서 중력은 비행하는 동안 절대 변할 일이 없다.(비행 시 소비하는 연료의 무게 제외)
하지만 양력은 비행하면서도 비행 속도와 비행 자세에 따라 매우 큰 폭으로 변한다.
무게가 350톤이나 되는 점보 제트기도, 10g도 안 되는 모형 비행기도
양력과 중력의 균형에 따라 날 수 있느냐 없느냐가 결정된다.
“비행기를 띄우기 위해서는 양력과 중력의 관계를 가장 먼저 알아야 한다.”
비행기의 주날개에서
양력이 어떻게 발생하는지
간단한 실험으로 살펴보자.
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켄트지(도화지)를 길이 10cm, 너비 2cm로 자른다.
종이의 한쪽 끝을 손가락으로 가볍게 잡고,
화살표 방향에서 숨을 세차게 불어보자.
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바람 방향과 종이 면이 평행하면
종이는 거의 휘지 않는다.
종이 면과 바람이 부는 방향이 만드는 각도는 ‘받음각’이라 한다.★
종이를 바람이 불어오는 방향에 맞서 올리면,
손가락으로 잡고 있지 않은 부분이 위로 휘어진다. 손가락으로 잡은 부분에서도 위로 향하는 힘을 느
낄 수 있다. 그 힘이 바로 양력이다.
날개 면을 굽힌 정도를 ‘캠버’(camber)라 하며, 날개 단면 모양을 ‘익형’(airfoil), 단면 길이를 ‘익현장’(chord length)이라 부른다. 실험에서 알 수 있듯이 익형이 달라지면 양력이 발생하는 정도도 달라진다.
날개의 면적이 달라지면 어떨까?
종이 넓이를 두 배로 늘린 후 같은 방법으로 실험해보면, 숨의 세기가 같아도 느껴지는 양력은 훨씬 크다.
“양력의 크기는
바람의 빠르기와 날개 모양, 비행기가 나는 곳의 공기 밀도에 따라서도 달라진다.”
받음각을 키울 때
날개 윗면과 아랫면의 공기 흐름이
어떻게 변화하는지 살펴보자.
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받음각이 작으면 날개 앞부분에서 위아래로 갈라진 공기 흐름이 층을 유지하며 날개 뒷부분을 향해 매끈하게 흐른다. 이처럼 층을 이룬 매끄러운 흐름을 ‘층류'(laminar flow)라 한다
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받음각을 키우면, 날개 윗면을 흐르는 공기가 아랫면을 흐르는 공기보다 빨라진다. 따라서 받음각을 키울수록 그만큼 양력이 증가한다.
“받음각이 커지다가 어느 정도를 넘어서면,
공기가 날개 끝에서 떨어져 나가는 실속 현상˙이 발생한다.”
‘실속 현상’ : 비행기가 양력을 갑자기 잃어버리는 것을 의미한다. 실제로 실속 현상이 일어나면 기수가 갑자기 내려가거나, 왼쪽 또는 오른쪽으로 급회전한다. 지면 근처에서 발생하면 추락 사고로 이어질 수 있다. 실속 직전에는 비행기가 가장 느린 속도로 비행한다. 이때 속도를 ‘실속 속도’라 부른다.
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“비행기가 움직이는 힘을 이해하기 위해서는 추력과 항력을 알아야 한다.”
항력은 무엇일까
양력 실험에서 사용한 직사각형 종이를 바람이 불어오는 방향과 수직으로 세워보자.
즉 종이의 받음각이 90도가 되게 세우면, 바람이 향하는 방향으로 종이가 밀리는 힘을 느낄 수 있다. 이 힘이 공기 저항이며 ‘항력’이라 부른다.
종이를 조금씩 앞으로 기울여서 받음각을 줄이면, 항력은 감소하고 오히려 양력이 증가하는 것을 알 수 있다. 앞서 양력 실험을 하는 동안에도 항력은 발생했다. 받음각이 작아 양력보다 항력이 작았기 때문에 잘 느껴지지 않았던 것뿐이다.
*날개 표면 각 위치에서의 압력 크기와 방향을
화살표 길이와 방향으로 표시했다.
공기 저항은 주날개뿐만 아니라, 비행기의 다른 부분에서도 발생한다.
이 모든 저항이 더해져서 비행기 전체의 공기 저항으로 작용한다.
“비행기가 비행하면 주날개에는 반드시 비행 방향과 반대 방향의 항력이 작용한다.”
추력은 무엇일까?
비행을 위해 양력을 발생시키면 항력도 함께 발생한다는 사실을 설명했다. 그러므로 비행기가 날기 위해서는 항력을 이겨내고 비행기를 진행 방향으로 움직이는 힘이 더해져야 한다. 이 힘을 ‘추력’이라 부른다.
일정한 속도로 수평 비행을 하는 기체에 추력을 더하면 가속하고, 빨라진 만큼 양력이 발생해 더욱 상승한다. 반대로 추력을 줄이면 비행기는 감속하거나 양력을 잃고 하강한다.
비행기 속도를 높이려면 항력보다 큰 추력을 가해야 한다. 하지만 앞에서 설명한 대로 항력은 속도의 제곱에 비례하므로 속도가 2배 빨라지면, 저항은 4배나 커진다.
그러므로 프로펠러에서 발생하는 추력도 4배가 되어야 한다. 일반적으로 프로펠러를 돌리는 데 필요한 엔진 마력은 추력과 비행 속도의 곱에 비례한다. 결국 필요한 엔진 마력은 속도의 세제곱에 비례한다. 예를 들어, 500마력 엔진을 사용하여 시속 300km로 비행하는 기체의 속도를 시속 600km로 높이려면 500마력×(600÷300)3= 4,000마력짜리 엔진이 필요하다.
내연기관(Internal Combustion Engine)으로 출력할 수 있는 힘에는 한계가 있었다. 단발기에서는 약 2,000마력, 사발기에서는 1기당 약 3,500마력이 최대로, 이는 프로펠러 비행기의 속도를 높이는 데 한계로 작용했다.
하지만 제트 엔진이 실용화되면서 엔진이 내는 추력이 크게 증가했다.
점보 제트기는 4개 엔진의 마력을 합하면 10만 마력 이상의 강력한 힘을 낸다.
“강력한 추력을 내는 제트 엔진이
초음속 비행기와 350톤이나 되는 대형 여객기의 비행을 가능하게 했다.”
비행기를 이륙시키고 싶으면 일단 엔진으로 강한 추력을 발생시킨다. 비행기가 추력을 얻어 앞으로 나아가면 주날개 아래보다 위에 흐르는 공기 속도가 빨라져 주날개 윗부분의 압력이 낮아진다.(베르누이 법칙. 공기 속도가 빠를수록 압력이 감소한다는 법칙)
“압력이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 향하는 힘이 발생하면서,
양력이 발생해 비행기가 떠오른다.”
비행기가 떠오를 때 작용하는 ‘네 가지 힘’을 알아보았다.
하늘을 나는 어떤 비행기를 보더라도
양력과 중력, 추력과 항력을 떠올리게 될 것이다.
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