3조 최연실 - 비행기의 원리

[13기 최연실]

 

비행기는 양력을 이용해서 난다. 하늘을 나는 비행기는 크게 네가지 힘이 작용한다.

먼저 엔진에 의해 앞으로 나가는 추력, 이를 방해하는 공기의 저항인 항력, 지구 중

심으로 끌어당기는 중력, 위로 띄워 올리는 양력으로 나뉜다. 이 중 양력은 기압이

높은 비행기 날개의 모양을 보면 이해가 쉽다.

비행기 날개의 단면은 윗면은 둥글고 아랫면은 윗면에 비해 평평하다. 둥근 윗면에

서는 공기 흐름이 빨라 압력이 낮아지고, 상대적으로 평평한 아랫면에서는 공기의

흐름이 느려 압력이 높아진다. 따라서 기압이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르면서

날개가 들리는 것이다.

비행기는 추력, 항력, 중력, 양력이 균형을 이룰 때는 수평비행을 하고, 양력의 크기

를 조절하면 위아래(수직) 로 움직일 수 있다.

새도 비행기처럼 양력을 이용하는 것일까? 당연하다 새의 유선형 날개를 보고 연구한

끝에 양력을 발견해 비행기의 날개를 만든 것이다.

헬리콥터는 수직으로 이착륙하고 공중에서 가만히 떠 있을 수 있어 비행기가 닿을 수

없는 곳에서 유용하게 쓰이는 탈것이다. 헬리콥터는 위에 달린 커다란 회전날개를 돌려

뜬다. 회전날개가 돌 때, 윗면의 공기 흐름은 빨라지고 압력은 작고, 아랫면의 공기

흐름은 느리고 압력은 켜져 비행기와 마찬가지로 양력이 생긴다. 이 양력 때문에 헬리콥터가 뜨는 것이다.

두 갈래로 나누어져 흐르던 공기의 흐름 중 날개 위 곡면을 따라 흐르는 공기의 흐름은 날개 아랫부분으로 꺾어진 공기흐름 보다 속도가 빠르게 된다. 그러므로 날개 주변의 공기의 흐름을 선으로 표현하면 아래 그림과 같이 되는데 날개 위쪽은 선의 간격이 좁고, 날개 아래쪽은 선들의 간격이 넓게 된다. 이는 날개 위쪽은 공기속도가 크고 아래쪽은 공기의 속도가 위쪽보다 작다는 것을 나타낸다. 유체 속도가 커지면 압력이 작아지고 유체 속도가 작아지면 압력이 커진다는 베르누이 원리   에 의해 공기 속도가 큰 날개 위쪽은 공기 압력이 작고, 공기속도가 작은 날개 아래쪽은 공기 압력이 크다는 것을 알 수 있다. 그래서 공기압력이 큰 아래쪽에서 공기압력이 작은 위쪽으로 밀어 올리는 힘인 양력이 발생하게 되는 것이다. 이는 앞서 설명한 뉴턴의 제3법칙에 의한 양력 발생 설명과도 부합되며 결국 두 원리 설명이 일맥상통함을 알 수 있다.

비행기 날개에 작용하는 양력은 비행기가 정지해 있을 때는 생기지 않는다. 비행기는 어느 속도 이상으로 움직일 때에만 자신의 무게를 이기는 양력을 발생시킨다. 비행기는 자신의 무게를 이기고 하늘로 떠오를 수 있는 최소한의 속도 이하에서는 비행할 수가 없으므로 최소 속도 이상이 될 때까지는 지상에서 활주를 한 후 이륙하게 된다. 착륙할 때에도 마찬가지로 지상 활주가 필요하다. 비행기가 추락하지 않고 착륙하기 위해서는 비행기 무게와 같은 크기의 양력을 유지한 채 지상에 접촉해야 한다. 그러므로 비행기가 땅에 닿는 순간 속도는 최소 속도 정도일 것이다. 최소 속도 정도로 땅에 닿은 비행기는 속도를 줄여 정지하기 위해 지상 활주가 꼭 필요하다. 반면 점프 제트기는 엔진의 노즐 방향을 아래로 향하게 하여 추진력의 반작용으로 양력을 얻어 수직으로 이륙한다.

*베르누이의 원리*

유체의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고, 속도가 늦어지면 압력이 높아진다는 원리