양력 발생 원리 (Therories in the Production of Lift)

공기보다 무거운 항공기가 비행을 해내기 위해서는 극복해야 할 몇 가지 사항이 있다. 그중 하나는 항력이라 불리는 것으로 항공기 운동에 대한 저항력이다. 그러나 극복해야 할 가장 큰 문제는 중력이다.

 

이를 극복하는 힘이 양력인데 양력은 항공기가 대기중을 움직이면서 항공기의 날개에서 발생시킨다. 날개에서 발생하는 양력은 항공기 무게보다 같거나 크고, 중력의 방향과 반대로 작용하며, 항공기를 부양시킨다. 양력의 발생 원리는 뉴턴의 운동 법칙과 베르누이의 정리에 기초를 둔다.

 

1. 뉴턴의 운동의 법칙(Newton's Basic Laws of Motion)

- 양력의 크기를 구하는 공식은 역사적으로 지난 수세기 동안 항공기의 운동을 설명하는 기초적인 물리법칙의 하나였다. 이 법칙은 겉보기에 양력의 모든 측면에서 적용이 가능한 것처럼 보이나, 양력이 어떻게 생성되는지는 자세히 설명해 주지 못한다.

비행 중인 항공기에 작용하는 힘을 다루는 물리 법칙들은 성공적으로 항공기를 날리기 이전에 개발된 가정이론으로부터 채택되었다. 이러한 물리적 법칙의 사용은 1600년대 유럽에서 시작된 과학혁명에서 발전되었다. 우주는 인간의 이해를 통하여 예측할 수 있는 방식으로 움직인다는 믿음에 힘입어 많은 철학자, 수학자, 자연과학자 및 발명가들은 그들의 일생을 우주의 비밀을 푸는데 바쳤다. 그중에 가장 잘 알려진 한 사람이 만유인력의 법칙을 만들고 3가지 운동법칙을 설명한 아이작 뉴턴 경(Sir Issac Newton)이다.

 

뉴턴의 3가지 운동법칙은 다음과 같다.

제1법칙(관성의 법칙) : 모든 물체의 질량중심은 그 상태를 바꿀만한 힘이 강제로 주어지지 않는 한 정지 상태를 유지하거나, 일정한 운동을 하여 진행 방향으로 계속 움직이는 상태를 유지하려는 성질로서, 이는 어떤 외부의 힘이 가해질 때까지 움직임을 멈추거나 시작하지 않는 것을 의미한다.

주기장에 서있는 항공기에 관성을 극복할 힘이 가해지지 않으면 항공기는 그대로 정지 상태로 남아있다. 일단 물체가 움직이면, 관성은 그 물체를 계속 움직이도록 하고, 그 물체에 다양한 방향에서 다른 힘들이 작용하면 그에 따라 다양한 방향으로 움직이도록 한다. 이러한 힘들은 그 물체의 움직에 가산되거나, 속도를 늦추거나, 방향을 변경시킬 수도 있다.

 

제2법칙(운동 법칙) : 운동의 결과 물체에 작용하는 힘의 크기는 시간변화에 대한 운동량 변화와 같다. 즉, 힘은 질량에 가속도를 곱한 것과 같다.(F=ma) 이를 다르게 표현하면 물체에 일정한 힘이 가해질 때, 그 결과 가속도는 물체의 질량에 반비례하고 가해진 힘에 비례한다(a=F/m).

 

제3법칙(작용과 반작용의 법칙) : 모든 운동의 작용에 대해 반대의 방향으로 작용하는 반작용이 있다는 법칙으로 예를 들어 프로펠러 추진 항공기는 프로펠러를 회전시켜 공기를 뒤로 밀어내고, 밀어내는 공기의 반작용 힘으로 비행기를 앞으로 전진시킨다. 제트 비행기에서는 엔진에서 연소된 고온 고압의 배기가스를 뒤로 밀어내어 그 반작용으로 비행기를 앞으로 전진시킨다.

 

2. 베르누이의 원리(Bernoulli's Principle of Differential Pressure)

-뉴턴이 운동의 법칙을 만들어내고 반세기가 지난 후에, 스위스 수학자인 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli)는 움직이는 유체(액체 혹은 가스)의 압력이 운동속도에 따라 어떻게 변화하는지 설명했다.

베르누이는 움직이는 유체(액체 혹은 가스)의 속도가 증가하면, 유체의 압력은 감소한다는 것을 증명하였다. 이 원리는 항공기 날개의 굴곡진 윗부분을 지나가는 공기흐름의 결과가 어떻게 일어나는지 설명한다.

베르누이 정리는 벤투리관(venturi tube)을 이용하여 이해할 수 있다. 벤투리관은 입구를 지나 점점 통로가 좁아지고 좁은 통로를 지나면 다시 통로가 점점 넓어져 공기가 배출되는 관으로 되어 있다. 배출구의 지름은 유입구와 같다. 관으로 유입되는 공기의 질량은 관 밖으로 나가는 질령과 정확히 같아야 하므로(질량보존의 법칙) 좁은 부분 지점에서 같은 양의 공기가 통과하려면 속도가 증가하여야 한다. 공기 속도가 증가하면 압력은 감소하며, 좁은 지점을 지나면, 공기흐름은 다시 느려지고 압력은 증가한다.

공기는 하나의 질량을 가진 유체이기 때문에 공기흐름이 뉴턴과 베르누이의 법칙에 적용되므로, 어떻게 항공기 날개가 양력을 발생시키는가를 알 수 있다. 날개는 공기를 통해 움직이기 때문에, 굴곡진 윗면을 지나가는 공기의 흐름은 속도를 증가시키고 저압 지역을 생성한다.

뉴턴과 베르누이 그리고 우주의 물리 법칙을 연구한 다른 수백 명의 초기 과학자들이 양력이 어떻게 생성되는지에 대한 현대 관점에 큰 통찰력을 제공했다.

벤투리관에서 공기의 흐름