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양력은 비행기가 중력을 극복하고 공중에 머무를 수 있도록 해주는 힘입니다.
비행을 위해서는 공기 속도, 공격각, 유체 역학의 원리와 같은 요소들을 고려하여 에어포일과 날개의 세심한 설계가 필요합니다.
비행의 원리, 비행의 원리와 유사한 일상현상을 간단히 정리했습니다.
비행 원리 (Principle of flight)
비행의 원리는 항공기나 새와 같은 물체가 공중에서 움직일 수 있도록 하는 공기역학적 힘을 포함합니다.
비행에는 양력, 무게(중력), 추력, 그리고 항력의 네 가지 기본적인 공기역학적 힘이 있습니다.
양력 (Lift)
양력은 물체가 공중으로 떠오를 수 있게 하는 힘입니다.
그것은 항공기의 날개나 새의 들어 올리는 표면에 의해 발생합니다.
양력은 날개의 모양과 다가오는 공기와 만나는 각도 때문에 발생합니다.
날개의 윗면은 보통 곡선을 그리고 아랫면은 평평합니다.
공기가 날개 위를 흐를 때, 윗면과 아랫면 사이의 압력의 차이가 양력이라고 불리는 위쪽 힘을 만듭니다.
중력 (Gravity)
무게는 물체에 작용하는 중력으로, 물체를 지구 쪽으로 끌어당깁니다.
항공기나 새가 공중에 뜨기 위해서는, 양력이 무게보다 커야 합니다.
이것은 충분한 양력을 발생시키기 위해 날개와 조종면을 설계함으로써 달성됩니다.
추력 (Thrust)
추력은 공중을 통해 물체를 밀어내는 전진력입니다.
비행기에서, 추력은 일반적으로 엔진이나 프로펠러에 의해 만들어집니다.
새들은 날개를 퍼덕임으로써 추력을 얻습니다.
전진 운동이 일어나기 위해서는 추력이 항력보다 커야 합니다.
항력(Drag)
항력(drag)은 공기를 통과하는 물체의 전진 운동에 반대하는 공기역학적 저항으로, 움직이는 물체와 공기 사이의 마찰과 압력 차이에 의해 발생합니다.
엔지니어는 항력을 최소화하여 연비와 전반적인 성능을 향상하도록 항공기를 설계합니다.
이 네 가지 힘은 상호 연관되어 있고, 통제된 비행의 핵심은 그들 사이의 균형을 유지하는 것입니다.
조종사는 날개의 각도를 조정하고 이 힘의 균형을 조절하기 위해 항공기의 조종면(에일러론, 엘리베이터, 방향타와 같은)을 조작합니다. 이 힘의 적절한 조작은 항공기나 새가 이륙, 상승, 하강, 회전 및 착륙을 효과적으로 할 수 있도록 합니다.
공기역학
에어포일(airfoil) 모양
항공기의 날개는 통상적으로 에어포일(airfoil)의 형상을 가지며, 에어포일은 상면이 곡면으로 형성되고 하면이 평탄하게 형성되며, 에어포일의 형상은 리프트 발생에 필요한 압력차를 발생시키는 데 중요한 역할을 합니다.
공기 흐름 가속
항공기가 공기를 통해 이동할 때, 에어포일의 모양은 날개 위의 공기가 그 아래의 공기보다 더 빠르게 이동하게 합니다.
베르누이의 원리에 따르면, 날개 위의 공기가 더 빠르게 이동하면 날개 아래의 공기보다 더 낮은 압력이 발생하여 압력 차이가 발생합니다.
뉴턴의 제3법칙
작용과 반작용 (Action and Reaction)
뉴턴의 제3법칙은 모든 작용에 대하여 동등한 반작용과 반대의 반작용이 존재한다는 것을 명시하고 있습니다.
양력 발생의 맥락에서 날개에 의한 공기의 아래쪽 방향으로의 편향은 날개를 위로 밀어 올리는 반작용으로 이어집니다.
공격 각도 (Angle of Attack)
공격각은 날개의 코드선(앞뒤 가장자리와 뒤 가장자리 사이의 가상선)과 마주 오는 공기 사이의 각도입니다.
효율적인 리프트 생성을 위해서는 적당한 공격각이 필요하지만, 각도가 너무 높으면 리프트가 줄어드는 현상이 발생할 수 있습니다.
비행 속도 (Airspeed)
양력은 항공 속도의 제곱에 정비례합니다.
항공기의 속도가 빨라지면 양력이 증가합니다.
이는 항공 속도의 조절된 변화가 필요한 이착륙 시 중요한 요소입니다.
날개 면적 (Wing Area)
날개의 크기(날개 영역)는 양력에도 영향을 미칩니다.
날개가 클수록 일반적으로 더 많은 양력을 제공하지만 다른 공기역학적 요인과 상충됩니다.
비행기 원리와 유사한 다양한 일상 현상
새의 비행 (Bird flight)
새들은 또한 공중에 머물기 위해 양력을 사용합니다.
새의 날개는 공기가 그 위를 흐를 때 양력을 발생시키도록 형성되어 있습니다.
새의 날개를 퍼덕이는 움직임은 양력을 발생시키기 위해 필요한 공기 흐름을 유지하는데 필수적입니다.
풍력 터빈 (Wind turbines)
풍력 터빈의 날개는 비행기의 날개와 비슷한 방식으로 양력을 발생시킵니다.
바람이 날개 위를 흐를 때 양력을 발생시키는 압력 차이를 만들어 날개가 회전하고 에너지를 생산합니다.
자동차 공기역학 (Car aerodynamics)
고속으로 움직이는 자동차도 공기역학적 힘을 경험합니다.
자동차의 모양과 그 주변에 공기가 흐르는 방식은 자동차의 안정성과 연비에 영향을 미칠 수 있습니다.
디자이너들은 공기저항을 최소화하고 성능을 극대화하기 위해 종종 공기역학을 고려합니다.
공 스포츠 (Ball sports)
비행기의 날개에 의해 발생하는 양력은 축구공이나 농구공과 같이 공이 발로 차이거나 공중으로 던져질 때 경험하는 양력이나 부력과 유사합니다.
공 주위에서 공기가 움직이는 방식은 공의 궤적에 영향을 미칩니다.