비행원리 알아보기

 수백 톤이 넘는 고철로 이루어진 비행기가 하늘을 나는 것을 보고 한 번쯤을 그 원리에 대해서 궁금해하셨던 적이 있을 것입니다. 이번에는 비행원리에 대해서 이해가 쉽게 분석해 보고 양력, 비행기에 작용하는 힘, 비행기의 3가지 기본 운동까지 다양한 정보를 공유해 드리도록 하겠습니다. 현대 과학의 끝판왕으로 불리는 비행운항에 대해서 알아보시죠.

 

 

비행원리 이해하기

이해를 쉬해 가장 먼저 비행기 날개의 단면 모양인 에어포일 (Airfoil)에 대해서 알고 있어야 합니다. 에어포일은 항공기 성능에 직결되는 매우 중요한 부분으로, 모양은 아래의 그림과 같습니다.

에어포일 사진

 

에어포일 주변의 공기 흐름 및 그 결과 발생하는 현상에 살펴보면 날개가 적당한 각도로 공기와 부딪치면 윗면에 흐르는 공기의 속도가 아랫면에 흐르는 공기 속도보다 빠르게 됩니다. 이 현상을 바탕으로 양력 원리에 대해 추가적으로 이해하여하 합니다. 

 날개에 양력이 생기는 원리

날개에서 양력이 생성되는 원리를 이해하기 위해서는 베르누이 정리를 이해해야 합니다. 베르누이 정리란, 공기와 같은 유체 (Fluid)가 흐를 때 속도와 압력에 대한 관계를 나타낸 것입니다. 베르누이 정리에 의하면 공기의 속도가 빨라질수록 공기의 압력이 낮아지고, 공기의 속도가 느려질수록 압력이 높아진다.

 날개 윗면을 지나가는 공기의 속도가 주변 공기보다 빠릅니다. 베르누이의 정리에 의하면 주변보다 속도가 빨라질수록 압력이 낮아지게 되며, 이 때문에 날개 윗면은 상대적으로 주변의 공기 보다 압력이 낮게 된다고 합니다. 반면, 날개 아랫면을 지나가는 공기의 속도는 주변 공기보다 느리다. 역시 베르누이의 정리에 의해 공기 속도가 느려질수록 압력이 높아지게 되고, 이 때문에 날개의 아랫면은 상대적으로 주변의 공기보다 압력이 높아지게 됩니다.
 공기의 경우, 압력이 높은 곳에서 압력이 낮은 곳으로 흐르려는 특성이 있다. 날개 아랫면 공기의 압력이 상대적으로 크고 윗면 공기의 압력이 작기 때문에 공기는 아랫면에 서 윗면으로 움직이려는 힘이 작용합니다. 결론적으로 날개 위/알라면 공기의 속력 차에 의해 발생한 압력 차이가 결국 양력을 발생시키는 것을 알 수 있습니다. 결국 양력은 날개 위/아래 면의 압력 차 (베르누이의 정리)에 의해 발생합니다.

 

비행기에 작용하는 힘 알아보기

하늘을 나는 비행기에 작용하는 힘은 다음의 네 가지로 구분할 수 있습니다. 첫번째로 날개에서 생기는 양력 (Lift), 두 번째  비행기 무게에서 생기는 중력 (Weight)입니다. 다음으로 엔진에 의해 생기는 추력 (Thrust)이 있고, 마지막으로 공기 마찰에 의해 생기는 항력 (Drag)이 있습니다. 
 중력, 혹은 비행기의 무게는 지구가 비행기를 아래로 끄는 힘으로, 양력과 정반대로 작 용한다. 따라서 비행기가 이륙 시 중력보다 더 큰 양력이 작용해야만 비행기 이륙이 가능합니다. 
추력은 비행기가 앞으로 나아가게 하는 힘을 말한다. 추력으로 인해 날개가 일정한 속 도로 공기를 지나가게 하며, 이 때문에 날개가 양력을 생성할 수 있습니다. 
항력은 추력에 반대 방향으로 작용하는 힘이다. 항력이 작아질수록 필요한 추력이 작아지며, 추력이 작아지면 연료 소모율이 적어져 더욱 경제적인 운항이 가능해집니다. 이를 위해 비행기는 공기 마찰이 적은 유선형으로 설계됩니다.

 

 

비행기의 3가지 기본 운동 : Rolling, Pitching, Yawing

 운항 중인 비행기는 롤링, 피칭, 요잉 (Rolling, Pitching, Yawing) 운동을 합니다. 비행기가 공중을 안전하게 비행하려면 이 세 가지 기본 운동이 조화롭게 이루어져야 하며 이렇게 설계가 되어 있습니다. 
 비행기의 3가지 기본 운동을 위해 필요에 따라 파일럿이 비행기를 조종할 수 있게 하는 것이 바로 날개 및 꼬리 날개에 장착된 조종면 (Control Surface)입니다. 비행기 조종에 사용되는 조종면 (Control Surface)에는 에일러론 (Aileron), 승강타 (Elevator), 러더 (Rudder), 스포일러 (Spoiler)가 있습니다. 

 

 

이것으로 비행기가 날 수 있는 원리에 대해서 분석해 드렸습니다. 하부 항목으로 비행기에 작용하는 4가지 힘과 비행기의 3가지 기본운동까지 현대과학의 끝판 결과물로 비행기는 부양을 할 수 있다는 것을 공유하였습니다. 양력에 의해 뜨는 비행 개념은 베르누이의 정리로 간단 설명할 수 있으니 베르누이에 대해서도 공부해 보는 시간을 가지세요.