비행기가 무거운 무게에도 하늘을 나는 양력의 원리
공항에 가서 큰 여객기를 가까이서 본 적이 있나요? 세계에서 가장 큰 여객기로 불리는 에어버스 A380은 최대 이륙무게가 무려 500톤이 넘는데요. 이렇게 비행기가 무거운 무게에도 하늘을 자유롭게 날아가는 이유는 무엇일까요? 쇳덩어리가 중력을 거스르고 하늘 위로 가볍게 떠오를 수 있는 것일까요?
우리가 흔히 엔진의 힘이라고 생각하기 쉽지만 엔진은 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘을 전달할 뿐 실제로 하늘로 올려주는 역할을 하지 않습니다. 비행기의 날개와 보이지 않는 공기의 힘이 무거운 비행기를 하늘로 날아가게 해주는데요. 하늘을 향해 날아가는 양력의 비밂 베르누이의 정리와 뉴턴의 운동 법칙을 알려드릴테니 비행기를 타실때 기억해보시기 바랍니다.
비행기를 지배하는 4가지 힘
비행기가 하늘을 안전하게 날기 위해서는 눈에 보이지 않는 4가지 힘이 완벽하게 균형을 이루어야 합니다. 양력을 알기 위해 기본적인 4가지 힘의 역할을 알려드릴테니 가볍게 읽어보세요.
- 중력: 지구가 비행기를 아래로 즉 지구로 끌어당기는 힘입니다. 비행기가 무거울수록 중력이 커지게 됩니다.
- 추력: 제트 엔진이나 프로펠러가 공기를 뒤로 밀어내면서 앞으로 나아갈 수 있도록 만드는 힘을 말합니다.
- 항력: 비행기가 앞으로 나아가면서 공기가 부딪히게 되는데요. 이때 발생하는 마찰력을 항력이라고 합니다. 즉 전진을 방해하는 힘이에요.
- 양력: 하늘을 나는 힘인 양력은 공기의 흐름을 이용하여 비행기를 위로 띄워 올리는 힘입니다. 즉 중력과 반대가 되는 힘으로 가장 핵심이라고 할 수 있습니다.
비행기가 이륙을 하기 위해서는 엔진의 힘 추력이 공기의 저항력 보다 커야 합니다. 날개가 만들어내는 양력이 비행기의 무게 중력보다 커야만 하늘로 떠오르게 됩니다.
양력을 만드는 비밀 베르누이의 정리
그렇다면 비행기는 어떻게 무거운 중력을 이겨내고 하늘을 날 수 있는 양력을 만들어 낼 수 있을까요? 첫번째 해답은 스위스의 과학자인 다니엘 베르누이가 발견한 베르누이 정리에 있습니다. 이 정리를 간단히 설명하면 유체의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고, 속도가 느려지면 압력이 높아지는 법칙입니다. 다소 내용이 어렵지만 이것으로 인해 양력을 만들어 내기에 비행기가 뜨게 되는 것이에요.
비행기 날개의 특별한 단면 에어포일
비행기 날개를 옆에서 잘라 단면을 살펴보면 앞부분은 둥글고 두꺼운데 뒤쪽으로 갈수록 날렵하고 물방울 모양을 가지고 있습니다. 특히 날개의 위쪽이 볼록한 곡선형이라면 아래쪽은 평평하여 그 차이를 단번에 알아차릴 수 있어요. 이러한 특별한 날개 모양을 에어포일이라고 부릅니다.
공기의 속도와 압력의 차이 발생
비행기가 엔진의 힘인 추력으로 앞으로 나아갈 때 날개 앞쪽에서 부딪힌 공기는 날개위쪽과 아래쪽으로 나누어져 흐르게 됩니다. 이때 위쪽은 볼록 형태이기에 공기가 지나가는 길이가 평평한 아래쪽에 비해서 길어집니다. 공기는 다시 날개 뒤쪽에서 동시에 만나야 하기에 위쪽과 아래쪽 공기는 속도가 달라지게 됩니다.
- 날개 위쪽: 공기 속도가 빠름 -> 기압이 낮아짐
- 날개 아래쪽: 공기 속도가 느림 -> 기압이 높아짐
자연계의 모든 물질은 압력이 높은 곳에서 낮으로 곳으로 흐르게 되어있는데요. 이와같은 결과로 기압이 높은 날개 아래쪽 공기가 기압이 낮은 날개 위쪽으로 밀어 올리게 됩니다. 이것으로 비행기를 띄우는 양력이 발생하죠.
양력을 만드는 받음각과 작용, 반작용
베르누이의 정리만으로 설명을 다 할수는 없습니다. 바로 전투기와 곡예비행을 하는 경우 비행기를 뒤집어 나는 배면비행이 있는데요. 날개가 뒤집히면 지금처럼 에어포일의 위와 아래가 바뀌게 되면서 앞서 이야기한 내용과 반대가 됩니다. 그런데 어떻게 추락하지 않고 계속 날 수 있을까요?
이를 설명하는 두번째 원리가 아이작 뉴턴이 제안한 작용과 반작용의 법칙과 비행기 날개의 받음각 입니다.
날개의 기울기 받음각의 법칙
비행기 날개는 사실 동체와 완전히 수평으로 달려있지 않고 앞쪽이 들린 형태로 살짝 비스듬한 형태로 붙어 있습니다. 그래서 비행기가 앞으로 전진할때 다가오는 공기의 흐름과 날개가 이루는 미세한 각도를 받음각이라고 합니다.
비행기가 빠르게 전진하면 엄청난 양의 공기가 살짝 들려있는 날개 아랫면에 강하게 부딪히는데요. 이때 날개에 부딪힌 공기가 날개의 기울기를 따라 아래로 밀려나게 됩니다. (작용)
이때 뉴턴의 3법칙 작용-반작용의 법칙에 따라 공기가 아래로 꺾여 내려간 힘만큼 비행기를 위로 올리는 반작용 힘이 발생하게 됩니다. 이것으로 양력을 발생시키는 또다른 힘이 되는 것이에요.
일상 속 작용-반작용
이 원리를 실생활에서 체감하는 방법이 있습니다. 자동차를 타고 빠른 고속으로 주행할 때 창문 밖으로 손을 내미로 손바닥 앞부분을 살짝 위로 기울여보세요. 비행기의 날개처럼 하고 계시면 다가오는 바람이 손바닥 밑면을 치고 아래로 흘러가면서 손 전체가 허공으로 떠오르는 느낌을 받을 수 있습니다. 비행기와 마찬가지로 이같은 원리로 무거운 무게를 공중으로 띄위게 되는 것이에요.
비행기 날개의 모양과 날개의 기울기가 이러한 시너지를 일으켜 무거운 무게에도 하늘을 나는 양력이 생기는 것이랍니다.
지금까지 거대한 비행기가 무거운 무게를 이겨내고 하늘을 나는 원리인 양력에 대해 설명해드렸는데요. 다소 어려운 내용일 수 있어서 간단하게 3가지로 요약을 해드릴게요.
- 비행기가 이륙하기 위해서는 엔진의 추력이 항력을 이기고 날개의 양력이 비행기의 중력을 이겨내야 합니다.
- 날개 위아래의 공기 흐름 속도 차이로 압력의 차이가 발생하고, 고기압에서 저기압으로 밀어 올리는 베르누이의 원리가 작요합니다.
- 살짝 들린 날개 아래로 공기가 부딪혀 내려가면서 이 힘에 대한 반작용이 비행기를 위로 떠오르게 하는 뉴턴의 작용-반작용 법칙이 작용합니다.
우리가 비행기를 타고 가는 순간에도 비행기 밖에서는 수억개의 공기 분자가 날개와 부딪히고 물리학 법칙들을 수행하고 있씁니다. 첨단 공학의 결정체인 비행기 속에서 과학 원리를 이해하시면 더욱 신비로운 시간이 되지 않을까요?
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