하늘은 인간에게 경외의 공간임과 동시에 자유를 의미한다. 우리가 생활하는 곳은 3차원이지만 하늘을 날기 전에는 2차원적인 공간에서 생활하는 것과 같았다. 그래서 인간은 하늘을 끝없이 동경해 왔다. 인류 최초의 동력비행은 1903년 12월 17일 오전 10시 35분에 미국의 노스캐롤라이나 주 키티호크 호수에서 이루어졌다. 첫 비행은 12초간 이루어졌고, 비행한 거리는 36m였다. 이러한 인류 최초의 비행이 있은 지 불과 100여 년이 지난 현재, 수백 명을 태우고 태평양을 횡단하는 B-747 점보기 등이 개발되어 이용하고 있다.
비행기와 뉴턴, 그리고 베르누이
비행기가 일정속도, 일정 고도를 유지하고 직진 비행을 할 때는 뉴턴의 제1운동법칙(관성의 법칙)에 따라 비행기에 작용하는 힘들이 평형을 이루게 된다. 비행기에 작용하는 힘으로, 지구 중력에 의해 아래로 향하는 힘과 이와 대등한 양력이라는 힘이 날개에서 발생한다. 또한 공기의 마찰과 압력에 의하여 비행기가 전진하지 못하게 하는 항력이 발생하고, 이 힘과 평형을 이루기 위해서 엔진에서 추력을 발생시킨다. 이러한 힘들이 평형을 이룰 때 비행기가 순항하며, 힘의 균형이 깨질 때 비행기가 상승 또는 하강, 가속 또는 감속하는 것이다.
양력이 발생하는 근본원리는 뉴턴의 제3운동법칙인 작용과 반작용의 원리이다. 날개 주위를 흘러 지나간 공기는 날개 뒤에서 아래로 밀려나게 되는데, 이렇게 공기를 아래로 민 반작용으로 날개는 양력이라는 힘을 발생시킨다. 이렇게 양력이 생기려면 항공기가 속력을 얻어야 한다. 속도를 내기 위해 비행기가 이륙할 때 활주로를 힘차게 달리는 모습을 볼 수 있다. 양력 발생은 스위스 수학자인 야곱 베르누이(Jakob Bernoulli)가 발견한 베르누이 원리로 쉽게 설명되기도 한다. 베르누이의 원리는 공기의 흐름이 빠른 곳에서는 압력이 낮아진다는 것이다. 날개가 공기를 내리누르는 자세를 취하면 공기가 날개 윗면을 돌아서 지나가는 구간에서 속도가 매우 빨라지는 반면, 날개의 아랫면에서는 날개에 의해 눌린 공기압이 낮고 아랫면의 공기압이 높아져 상하 압력 차이만큼 위로 향하는 힘, 즉 압력이 생긴다.
출처 : 「교양으로 읽는 과학의 모든 것」2권의 ‘무거운 짐을 싣고도 멀리 나는 비행기의 원리’ 중. 성기정 (한국항공우주연구원 책임연구원)
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