[AngelFounder의 항공과 공학] (4) 비행기는 어떻게 뜰 수 있나? - 1편

이번 3편은 여러분들이 수식없이 보실 수 있도록 수식을 전혀 쓰지 않고 준비해봤습니다.

오늘의 주제는 비행기는 어떻게 뜰 수 있나? 입니다.

아 물론 간단하게만 설명하면 양력이 있으니까. 라고 설명할 수 있을겁니다.

하지만 제가 이것만 설명하려고 글을 쓰지는 않겠죠.

우선 시작하기 전에 비행기를 움직이는 힘 4가지가 있습니다.

바로 LIFT(양력) WEIGHT(중력, 무게), THRUST(추력), DRAG(항력)

4가지 힘이죠

하지만 오늘은 LIFT(양력)에 초점을 맞추어 보려 합니다.

우선 비행기에서 양력을 받는 부분은 바로 날개죠?

이 날개 아니 쇳덩어리가 어떻게 날까.... 

우선 다음 사진을 보겠습니다.

우선 글씨는 빼고 그림만 봐주세요.

이 그림에 볼록하게 생긴것이 날개의 단면입니다. 선은 공기의 흐름이구요.

그리고 빠질수 없는것이 바로 받음각이라는 겁니다.

자 받음각... 백과사전을 뒤져봐도 너무 어렵습니다.

받음각을 사진으로 보여드리면 다음과 같습니다.(동그라미 친 각도)

그러면 실제 비행기의 사진에서 받음각은 어떻게 될지 한번 사진으로 찾아볼까요?

정확하지는 않지만 대략적으로 그려봤습니다.

간단하게 위쪽에 선은 날개와 평행하게 그은 선이고 

아래선은 지면과 평행하게 그은선이라고 생각하시면 됩니다.

(정확한 개념은 아니지만 비슷하니 그렇게 이해하셔도 됩니다.)

그리고 그 사이각이 바로 받음각(Angle Of Attack, AOA) 라고 하죠.

그러면 이게 어떻게 양력을 발생시키나?

이 사진에서 받음각이 작다에 해당하는 사진을 보겠습니다.

일반적으로 받음각이 작을경우, 즉 비행기가 수평비행중에는 공기흐름이 거의 일정하게 날개에 붙어서 흘러갑니다.

하지만, 받음각이 큰 경우 아래사진처럼 공기가 잘 가다가 갑자기 뒤쪽에서 이상해지죠?

즉 공기가 날개에 거의 밀착하여 일정하게 흐르지 못하고 사방으로 퍼진다는 뜻과 같습니다.

또 다르게 표현하면 공기의 밀도가 상대적으로 적어진다고 볼 수 있죠.

우리 생각한번 해봅시다.

일정하게 오는 공기와 사방으로 퍼지는 공기 어떤게 저항을 더 많이 줄까요?

다시 말해서 한쪽방향으로 일정하게 흐르는 물과 여러방향으로 막 흐르는 물

어떤 물이 더 저항을 많이 줄까요?

당연히 여러방향으로 흐르는 물이겠죠. 아무래도 진행하려는 것을 막는 방향으로도 물이 흐를테니까요.

즉, 받음각이 큰 경우 날개에 큰 저항력을 가져옵니다.

날개가 저항력이 크다는것은? 항력을 많이 받는다는 뜻이며

그만큼 앞으로 나아가기 힘들다는 뜻이죠. 

자 아까 받음각이 커지면 공기의 밀도가 상대적으로 적어진다고 말씀드렸는데요

비행기가 이륙하는 경우를 봅시다.

받음각이 어느정도 있는 상태라면 일정하게 오는 공기가 지나는 항공기 날개 아래보다

사방으로 퍼져있는 공기가 있는 부분, 즉 밀도가 적은부분이 압력이 작을겁니다.

(공기가 많은부분이 아무래도 압력이 높겠죠?)

따라서 공기가 압력이 높은곳에서 낮은곳으로 가려하고

이 공기가 미는 힘이 결국 양력(LIFT)로 되는것이죠.

이때 한가지 질문

Q. 그러면 받음각이 무조건 크면 빨리 뜨겠네??

그렇지 않습니다. 아까 받음각이 생기면 저항력이 커진다고 설명드렸습니다.

이 현상이 심화되면? 비행기가 받는 저항력이 양력보다 커지게 됩니다.

즉 비행기 앞쪽에서 미는힘이 양력보다 더 크게 되는것이죠 그렇게 되면 비행기는 속도를 잃고 추락하게 되겠죠?

이를 실속이라고 하며 영어로 Stall이라고 하죠

아마 플심에서 많이 겪어보셨을겁니다. 

실속이 생길때 내가 조종하는 비행기가 어떤경우였는지 생각해보시면 이해가 쉬우실겁니다.

그래프로 나타내보면 다음과 같습니다.

자 이게 뭐냐

가로는 받음각의 각도이고, 세로축은 간단하게 양력이라고 보시면 됩니다

(정확히는 양력계수인데 다음편에 설명하겠습니다.)

이 그래프를 보면 받음각 약 15도에서 가장 큰 양력이 생긴다고 나와있습니다.

상황에 따라 다르지만 실제로 일반적으로 이륙시 약 15도의 각도를 유지하는것이 일반적입니다.

종합해보면 받음각이 적절하게 유지되어야 비행기의 양력이 발생하고 이륙이 가능한 것이죠.

또한 받음각을 크게 하지 않고 양력을 더 크게 하기 위하여 플랩(Flap) 장치를 사용하게 됩니다.

여러분들 착륙이나 이륙하실때 꼭 플랩 펴고 이륙이나 착륙하시죠?

이륙이나 착륙시엔 속도가 순항시보다 훨씬 낮습니다.

속도가 빠르면 비행기가 받는 저항을 이겨내고 앞으로 나아가는데 큰 무리가 없죠

(이미 떠있는 상태이므로 더 큰 양력이 필요하지 않고 일정한 양력만 받으면 앞으로 나아갈 수 있겠죠)

하지만 속도가 낮으면 저항을 이겨내고 그 무거운 비행기의 무게를 지탱하면서 공중에 떠있기 매우 힘듭니다. 

그래서 양력을 더욱 증가시켜줄 수 있는 장치인 Flap을 사용하게 됩니다. 

Flap은 결국 날개의 면적을 증가시켜주는 장치라 볼 수 있죠.

그러면 날개의 면적하고 양력하고 무슨관계?? 그리고 아까 설명한다던 양력계수는 또 뭐고?

다음편에서 설명하면서 양력에 대한 최종 정리를 해보고, 

아 이렇게 비행기가 뜨는구나 이해하실 수 있도록 하겠습니다.

질문사항이나 이상한 부분이 있으면 언제든 덧글 달아주세요.

다음편에서 이어가겠습니다.

2012.12.15 07:52 PM

AngelFounder 배상

<에어라이너즈 사진 출처>

http://www.airliners.net/photo/Air-China/Boeing-747-4J6/2153706/&sid=c8cdaeeae6524339839a7720d96cc1b6

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