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비행기를 뜨게 만드는 힘은 무엇인가?
비행기의 속도 조절과 방향 전환
원리사전
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무거워도 날 수 있을까?
비행기의 원리
글 남미란
인류는 언제부터 하늘을 날기를 꿈꿔 온 것일까? 새의 깃털과 밀납을 사용해 날개를 만들어 붙이고 창공을 향해 몸을 던졌던 신화 속 이카로스(Icarus)를 생각해 보면, 고대부터 우리는 늘 비행을 꿈꿔왔던 것 같다.

하지만 오늘날 우리에게는 하늘을 나는 일이 더 이상 그저 꿈만은 아니다. 장거리 여행의 교통수단으로 제일 먼저 떠올리는 것이 바로 비행기일 정도로 비행이 상용화되었기 때문이다. 그런데 문득 궁금하다. 많게는 600명까지도 수용 가능한 400톤이 넘는 육중한 몸을 하늘에 띄우는 비행기, 그 비행기 속에는 어떤 원리가 숨어 있는 것일까?

비행기가 지상에 정지해 있을 때는 일반 자동차와 크게 다를 바가 없어 보인다. 단순히 덩치 큰 자동차라고 할 수도 있을 것이다. 그러나 자동차가 아무리 빨리 달리고 점프를 한다고 해도 하늘을 날 수는 없다. 그렇다면 자동차와 비행기의 어떤 차이가 비행기를 날 수 있게 하는 것일까? 자동차와 비행기의 가장 큰 차이점이 날개라는 것은 금방 찾아낼 수 있을 것이다.

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비행기는 어떻게 날게 되는 것일까? <출처: NGD>
비행기를 뜨게 만드는 힘은 무엇인가?
아래 [그림 1]에서처럼 비행기의 날개는 특징적인 모양과 공기와 맞닥뜨리는 각도를 통해 비행기가 공중에 떠오를 수 있도록 하는데 결정적 역할을 한다. 움직이는 비행기 날개 주변에는 [그림1]에서처럼 날개로 접근하는 공기의 흐름을 보인다.

날개는 앞쪽이 위쪽으로 적당한 각도로 들려 있는데다가 날개 모양의 곡면 때문에 날개로 접근하는 공기의 흐름을 변화시킨다. 날개로 접근하는 공기의 흐름은 날개 앞부분에서 날개와 부딪혀 두 갈래로 나뉘게 된다. 한 갈래의 공기의 흐름은 날개 위 곡면 모양을 따라 흐르게 되고, 다른 하나는 날개에 부딪혀 날개 아래쪽으로 꺾이게 된다.

이때 날개와 꺾인 공기는 작용반작용 법칙인 뉴턴의 제 3법칙에 의해 상호작용을 하여 비행기를 공기 중으로 띄우는 힘인 양력을 발생시킨다. 날개는 공기의 흐름을 날개 아래쪽으로 꺾이게 하기 위해서 공기에 힘을 작용하고, 공기는 같은 크기의 힘을 방향만 반대로 날개에 반작용하게 된다. 이 반작용에 의해 날개에 생기는 힘 F가 비행기를 공기 중으로 떠오르게 하는 양력이다.

한편 두 갈래로 나뉘어져 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 표현하면아래 [그림1]과 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. 유체속도가 커지면 압력이 작아지고 유체속도가 작아지면 압력이 커진다는 베르누이 원리 1) 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 원리설명이 일맥상통함을 알 수 있다.

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[그림1]뉴턴의 제 3법칙에 의한 양력 발생
지금까지 설명한 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 최소속도이상이 될 때까지는 지상에서 활주를 한 후 이륙하게 된다.

착륙할 때에도 마찬가지로 지상 활주가 필요하다.비행기가 추락하지 않고 착륙하기 위해서는비행기 무게와 같은 크기의 양력을 유지한 채 지상에 접촉해야 한다. 그러므로 비행기가 땅에 닿는 순간 속도는 최소속도정도일 것이다. 최소속도 정도로 땅에 닿은 비행기는 속도를 줄여 정지하기위해 지상 활주가 꼭 필요하다. 반면 점프제트기는 엔진의 노즐방향을 아래로 향하게 하여 추진력의 반작용으로 양력을 얻어 수직으로 이륙한다.

비행기의 속도 조절과 방향 전환
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[그림2] 비행기가 일정한 속도로 수평비행을 할 때 평형을 이루는 4가지 힘 <출처: NGD>
비행기가 일정한 속도로 수평비행을 할 때는옆 [그림 2]에서와 같이 비행기를 앞으로 나아가도록 하는 엔진에 의한 추진력과 공기의 저항 때문에 반대방향으로 생기는 저항력, 비행기의 무게인 중력과 비행기를 떠있도록 하는 양력 등, 4가지 힘이 힘의 평형을 이룬다.

만약 비행기의 양력이 중력에 비해 작아지면 비행기는 추락을 할 것이고, 양력이 중력보다 크면 비행기는 더 높이 떠오를 것이다. 또한 비행기의 추진력이 공기저항보다 크면 비행기의 수평속도는증가할 것이고, 추진력보다 공기저항이 더 크면 비행기의 수평속도는감소할 것이다.

그러나 추진력이 저항력보다 커져서 수평속도가 증가하면 양력도 따라서 증가하므로 비행기는 속도증가와 동시에 상승을 하게 된다. 비행기가 수직상승은 하지 않고 수평비행을 하면서 속도만 증가시켜야 할 때는 증가하는 양력을 줄여주어야 한다.

양력을 줄이기 위해서는 공기흐름 방향에 맞서는 날개의 각도를 작게 조절해야 한다. 날개에 접근하는 공기흐름방향과 날개의 중앙선 사이의 각도를 받음각 2) 이라고 하는데 이 받음각은어느정도 범위 내에서 각도를 크게 하면 양력이 커지고, 각도를 작게 하면 양력은 작아진다.

이렇게 날개의 받음각을 조절하여 양력을 가장 적절한 상태로 조절하기도 하고 주날개에 있는 플랩을 통해 날개 모양을 변형시켜 양력을 조절하기도 한다. 또한 비행기는 주날개와 꼬리날개를 이용하여 비행기의 각도와 방향을 바꾼다.

수평꼬리 날개에는 수평안정판과 승강타의 두 부분으로 나뉘어져 있는데 이륙할 때는 승강타를 위로 올려서 비행기의 뒷부분을 아래로 내리 누르는 힘을 발생시킨다. 그러면 비행기 앞머리가 위로 향하게 되어 속도가 크지 않아도 받음각이 커지므로 양력은 증가하게 되어 이륙을 용이하게 한다. 반대로 승강타를 내리면 비행기 앞부분은 아래로 향하게 된다.

비행기의 수직 꼬리 날개는 비행기를 흔들리지 않고 똑바로 날아갈 수 있도록 중심을 잡아주는 역할을 한다. 수직꼬리에는 방향타도 있어서 방향타를 오른쪽으로 꺾으면 비행기는 오른쪽으로 향하고, 왼쪽으로 꺾으면 비행기는 왼쪽으로 향한다.

그러나 비행기가 방향을 바꿀 때는 방향타와 함께 주날개에 달려는 보조날개의 도움이 필요하다. 주날개에 달려있는 보조날개는 모양을 바꿔 양력을 조절할 수 있는 데 비행기가 회전을 해야 할 때는 양쪽날개의 양력을 서로 다르게 하여 비행기의 몸체를 기울이게한다.

만약 왼쪽 날개의 양력은 줄이고 오른쪽 날개의 양력을 늘리면 비행기는 왼쪽 아래로 기울어지고 왼쪽으로 회전할 수 있게 되는 것이다. 지금까지 살펴본 바와 같이 비행기는 엔진의 추진력, 공기의 저항력, 중력, 날개모양과 각도 조절을 통한 양력 등 4가지 힘의 상호작용을 통해 최선의 비행 상태를 찾아내어 하늘을 날 수 있는 것이다.


참고문헌: 고려대학교 서강대학교 물리학과 공역, [일반물리학], (범한서적주식회사, 1998); Gale M. Craig, [비행의 원리], (우용출판사, 2002); 장밥티스트 투사르,[비행기는 어떻게 날까?] , (민음사, 2006); 명로진, [비행기가 비틀비틀], (김영사, 2001)

참고자료: 네이버캐스트 양력이 생기는 이유  

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글
남미란 | 하남정보산업고등학교,서울과학교사모임
서울과학교사 모임은 딱딱한 과학수업을 재미있게 풀기 위해 모인 수도권 지역 과학선생님들의 모임이다. 재미있는 과학 교육을 위해 [묻고 답하는 과학 톡톡 카페1,2], [숨은 과학] 등을 출간하였다.
그림
곽윤환 일러스트레이터
전남 진도 출생으로 홍익대학교 미술교육원에서 수묵화를 전공하고 만화, 일러스트 작가로 활동 중이다. 최근에는 동화, 교과서 삽화 등을 그리고 있으며 한국교육과정평가원의 삽화팀을 맡고 있다. http://blog.naver.com/redeye21c
발행
2010.07.28
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(sile****)
BEST과학과는 전혀 무관한사람입니다만. 베르누이의 양력의 원리가 뒤집히고 있는 현실에서 학생들에게 1998년 책을 참고로하여 가르치시는군요.. 비행기 상승의 새로운 원리가 있나해서 읽어봤더니 기존이론들을 장황하게 설명하셔서 실망이네요... 실제로 위 아래 공기는 뒤에서 정확히 만나지 않는다더군요.. 고로 위공기가 더 빨라야할 이유도 없구요..
2013-06-24 09:29 | 신고
답글 1811711
꼬뮤 (knon****)
BEST아직도 비행기를 베르누이의 원리로 설명하는 사람들이 있네. 그럼 거꾸로 나는 비행기는 어떻게 설명할건가. 중요한건 공격각도.
2013-06-24 08:35 | 신고
답글 44111
모디가이 (modi****)
BEST평소 무척 궁굼했는데요, 곡예비행하는 전투기 가끔 보면 거꾸러 뒤집혀서 날아가는데요, 그건 어떤 원리인가요? 플립이나 수평꼬리날개로 조작을 가해서 안떨어지게 하는 건지, 아니면 원래 거꾸로 되도 안떨어지는 건지..
2013-02-26 03:45 | 신고
답글 2214
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