[과학이 궁금해] #4. 하늘을 나는 금속 덩어리 비행의 원리
[과학이 궁금해] #4. 하늘을 나는 금속 덩어리 비행의 원리
  • 최율리아나 기자
  • 승인 2019.08.11 15:55
  • 댓글 0
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[데일리포스트=최 율리아나 기자] “초등학교 3학년 아들이 비행기는 어떻게 하늘을 날아 다닐 수 있는지 물어보길래 엔진의 힘으로 비행한다고 대답해줬습니다. 하지만 솔직히 아이에게 비행의 원리가 무엇인지 몰라서 에둘러 말했는데 저 역시 궁금합니다. 무거운 비행기가 어떻게 하늘을 날 수 있는지 그 원리를 알려주세요.” (페이스북 ID 피노키오 Mam)

하늘을 날아다니기 위한 인류의 노력은 상상을 초월할 만큼 오래됐다. 하지만 비행의 원리를 알지 못했던 인류의 하늘 정복 시대는 실패를 거듭해왔다. 인류가 탑승할 수 있고 비행이 가능했던 시기는 지난 1903년 라이트 형제의 ‘라이트 플라이어(Wright Flyer)’를 꼽을 수 있다.

1903년 12월 17일 미국 노스캐롤라이나 키티호크 해변에서 인류 최초로 비행에 성공한 라이트 형제의 ‘라이트 플라이어‘의 비행시간은 불과 12초였다.

12초에 불과했지만 인간이 직접 조정을 하고 엔진을 통해 하늘을 날아오른 비행기의 기술은 시대를 거듭할수록 과학기술의 발달을 통해 이제 우주까지 진출하는 첨단 기술의 초석이 됐다.

라이트 형제의 최초의 비행 성공 이후 100년이 지난 현대의 비행기들은 공학적으로 정말 놀라울 만큼 기술적 발전을 이뤄냈다. 현대의 비행기들은 공중에서 격동적이고 예측할수 없는 전류를 극복하며 복잡한 조작을 수행하며 하늘을 자유롭게 횡단하고 있다.

글로벌 생활과학 전문 미디어 ’데일리포스트‘는 엄청난 무게의 금속 비행기가 하늘을 자유롭게 날아다닐 수 있는 원리는 무엇이며 조종사들이 비행 장치를 조작할 때 어떤 원리로 비행이 가능한지 ’과학이 궁금해‘를 통해 살펴보겠다.

비행기의 날개와 꼬리는 많은 움직이는 부분을 가지고 있다. 날개 전체와 그 다른 부품들에서 흥미로운 점은 그들이 유체역학에서 매우 특별한 형태를 만들고 있다는 것이다.

바로 비행기 에어포일 형태를 말한다. 이 간단한 모양 뒤에 있는 물리학을 이해하는 것만으로도 우리는 비행기 물리학을 완전히 이해할 수 있게 만들어준다.

그럼 에어포일에 대해 알아보자. 에어포일(Airfoil)은 공기 중에 이동할 때 양력을 발생시킨다. 이 양력은 비행기를 날게 만든다. 여기서 양력(Lift)은 뉴턴의 법칙을 알고 있다면 쉽게 이해할 수 있다.

양력은 비행속도의 제곱에 비례하고 비행속도와 양력이 증가하게 된다. 반면 비행속도가 감소하면 양력 역시 감소하게 된다. 이는 비행기의 속도가 빠를수록 더 안정적으로 공중에서 떠 있을 수 있다.

또 하나 양력은 날개의 면적이 크면 클수록 양력의 힘도 커진다. 무거운 짐을 운반하는 수송기나 여객기는 그만큼 더 많은 양력이 요구된다.

이처럼 사람을 가득 태운 여객기나 짐을 실은 수송기의 날개는 면적이 넓게 제작돼 더 많은 양력을 얻게 된다는 것을 의미한다. 이와 반대로 가벼우면서도 초음속도를 자랑하는 전투기는 상대적으로 날개의 면적이 작다.

비행기를 떠오르게 하는 양력의 크기는 받음각(Angle of Attack)과 비행속도, 날개 모양에 따라 다르다. 받음각은 공기가 흐름의 방향과 날개의 경사각을 이루는 이른바 ’각도‘를 의미한다.

일반적으로 받음각이 커질수록 양력도 증가하게 되지만 받음각이 일정한 수준을 넘어서면 양력이 감소해 항력이 증가하게 된다. 항력은 비행기의 움직이는 방향과 반대로 작용하는 힘이므로 항력이 커지면 비행기가 추락할 수 있다.

그렇다면 비행기의 속도는 어떻게 조절하고 방향의 전환 방식은 무엇인가?

비행기가 일정한 속도로 수평비행을 위해 무엇보다 중요한 것은 ▲추진력 ▲저항력 ▲양력▲중력 등 4가지의 힘을 바탕으로 평형이 이뤄진다. (이미지 참조)

항공기술교육원 관계자는 “비행기가 떠오르는 것은 비행기 날개를 지나는 공기의 흐름 덕분”이라며 “공기는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르기 때문에 날개 위의 압력이 아래보다 낮기 때문에 비행기가 일정속도 이상 달리면 위쪽으로 들어올리는 양력이 커지면서 비행기가 떠오르게 된다. 이를 베르누이 법칙이라고 한다.”고 설명했다.



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