비행기는 어떻게 하늘을 날까요?? 양력에 대하여

[나드리]

우리나라 비행기에 대해서 포스팅을 했습니다. 지금까지는요~~

근데, 비행기는 엄청 무거워요~ 팬텀의 무게는 약 20톤 정도 됩니다.

(무기를 다 탑재하고 연료가 가득 채웠을 때)

우리가 타는 여객기는 더 무거운데 어떻게 하늘을 날 수 있을까요??

하늘을 나는 힘인 양력에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

양력(揚力, lift)이란 유체의 흐름 방향에 수직으로 작용하는 힘을 말합니다.

부력은 움직이지 않아도 생기지만, 양력은 반드시 물체나 유체가 움직이어야만 생기는 것이 다른 점이다.

유체가 움직이면 흐름이 변화가 생기면서 압력차가 생기는 것이 원인이다.

일반적으로 물체는 모든 방향으로 일정한 압력이 작용한다.

근데, 한쪽의 압력이 높아지면, 또는 낮아지면 압력이 낮아지는 쪽으로 밀리는 힘을 받게 된다.

이것이 양력이다. 새나 곤충, 비행기, 항공기들이 빠르게 날아다니는 것이 양력을 이용하고 있다.

양력은 비행하는 물체의 무게와 반대되는 방향으로 작용하는 힘으로 다양한 방법으로 설명이 되고 있는데,

가장 많이 사용되고 있는 뉴턴의 제3법칙을 이용한 양력을 가장 많이 설명한다.

뉴턴의 제3법칙은 작용 반작용 법칙으로 비행기가 뜨는 양력(반작용)이 있으려면

반드시 반대되는 힘(작용)을 비행기가 어떤 물체에 작용해야 한다.

비행기 주변의 물체는 공기밖에 없다.

따라서 비행기 날개 주변을 흐르는 공기에 대하여

연직방향으로 힘을 가하면 거기에 대한 반작용으로 양력이 발생하는 것이다.

그럼 날개는 어떻게 공기에 힘을 줄까?

이는 거꾸로 생각하면 되는데 날개가 공기에 힘을 주는 것보다 공기가 날개에 힘을 방법을 생각하면 된다.

그럼 날개를 어떻게 제작을 하면 공기가 날개에 힘을 줄까??

일반적으로 비행기 날개를 보면 윗부분이 볼록하고 아래면은 평평한다.

그래서 공기가 날개를 지나갈 때 공기의 속력(유속)이 차이가 나고 유속의 차이는 곧 압력의 차가 된다는 것이

베르누이의 원리(이젠 법칙이 아닙니다.)이고, 동시통과 이론이다.

다시 말하면 베르누이의 원리는 날개 윗면과 아래면을 공기가 지나갈 때

윗면이 볼록하고 아래면이 평평하므로 날개 뒤쪽에서 똑같이 통과를 하려면 위쪽의 공기 속도가 빨라야겠죠?

그러면 위쪽의 속력이 아래쪽보다 커지는데,

압력은 속력과 반대로 속력이 큰 쪽은 압력이 작고, 속력이 작은 쪽은 압력이 크다고 합니다.

그러면 비행기 날개 윗면과 아랫면의 속도차가 생기고 아랫면의 압력이 크므로

압력은 큰 쪽에서 작은 쪽으로 힘을 받게 되므로 아랫면에서 위쪽으로 힘을 받게 되죠.

이것이 베르누이의 원리를 이용한 동시통과 이론입니다.

솔직히 저도 고등학교, 대학교에서 공부를 할 때 저렇게 배웠습니다.

심지어 NASA의 교육자료에도 있었다고 합니다.

근데, 이 이론을 직접 시뮬레이션한 결과 날개 위쪽과 아래쪽에서 이동하는 공기가

날개 뒤쪽에서 안 만나는 사실이 알려지면서 동시통과 이론은 틀린 이론이 되어 버렸습니다.

단, 베르누이의 원리가 틀린 것이 아니고 동시통과이론이 틀렸다는 것이죠.

풍동실험에 대한 컴퓨터 시뮬레이션(동시통과 이론) - 네이버 참고

그림에서 검은색 점 이 앞쪽에서 똑같이 이동하다가 뒤쪽에서 만나지 않는 것을 볼 수 있다.

이런 시뮬레이션 결과로 동시통과이론으로 양력을 설명이 안된다.

뿐만 아니라, 동시통과이론으로 설명이 안되는 비행이 있다. 바로 배면 비행이다.

비행기가 거꾸로 날아가는 비행이다.

날개가 거꾸로가 되면 위쪽면의 속도가 더 빠르기 때문에 날개 뒤쪽에서 공기가 만날 확률은 거의 없다.

그래서 동시통과이론으로는 설명이 불가능한 이유다.

블랙이글스 배면비행 - 네이버 참조

양력을 이해 하기 가장 쉬운 법칙은 바로 뉴턴의 제3법칙입니다.

베르누이 원리로 설명하기에는 역부족이기 때문이죠.

(다시 한번 말하지만, 베르누이 원리 자체가 틀린 것은 아닙니다.)

우리가 종이에 바람을 불면 종이는 위로 올라가죠. 근데, 어떻게 하면 더 잘 올라갈까요?

바로 아래쪽에서 불면 더 잘 올라가겠죠??

비행기 날개가 하늘을 날 때 날개는 지나가는 공기를 아래로 밀어요(작용).

그러면 아래쪽으로 힘을 받는 공기는 다시 위쪽으로 날개를 뜨게 만들죠.(반작용)

왼쪽은 베르누이 정리에 의한 양력(동시통과이론), 오른쪽은 뉴턴제3법칙에 의한 양력(작용반작용)

이외에 양력을 다르게 설명하는 것도 있다.

예를 들어 수학적인 계산으로 접근 하는 법이나, 물수제비 이론, 벤츄리관을 이용한 양력등 다양한 것이 있지만,

가장 쉽고, 명확하게 알 수 있는 양력이 뉴턴의 제3법칙이라서 이것으로 정리를 하겠습니다.

비행기의 날개를 유선형이잖아요. 이런 날개 모양을 에어포일 이라고 하죠.

에어포일에는 양력만 작용하는 것은 아니고 4개의 힘이 작용합니다.

엔진의 힘인 추력, 그리고 추력으로 앞으로 나아가면 공기의 저항을 받겠죠?

그 힘을 항력, 비행기는 무겁죠.

지구가 잡아당기는 힘인 중력, 그리고 비행기가 뜨는 힘인 양력으로 따라서

비행기는 양력 하나의 힘으로만 작용하기보다는 4개의 힘을 이용해서 날고 있다고 보면 더 좋을 것 같습니다.

에어포일에 작용하는 힘 -네이버 참조

이상 양력에 대한 설명이었습니다.

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.^^ 늘 행복하세요^^

가져온 글  비행기는 어떻게 하늘을 날까요?? 양력에 대하여 (tistory.com)