베르누이의 원리 덕분
크게 중력, 양력, 추진력, 저항력으로 나눠

출처: pixabay

[문화뉴스 MHN 서민종 기자] 화창한 하늘이 지속되는 요즘, 하늘을 보면 많은 비행기들이 지나다닌다. 그런데 문득 저렇게 거대한 물체가 어떻게 하늘을 나는지에 궁금증이 생기기 마련이다. 비행기가 날기 위해서는 생각 보다 많은 원리들이 적용이 되는데 그 원리에 대해 알아보자.

비행기가 비행할 때 받는 힘은 크게 중력, 양력, 추진력, 저항력으로 분류한다.

중력은 항상 가해지는 힘으로 하중(비행기 자체의무게)에 관여한다. 하중이 적으면, 그만큼 추진력이나 양력에 의한 힘에 대해 이득을 볼 수 있기 때문에 비행기의 연비에 영향을 준다. 우리가 자주 접하는 보잉 747 기종의 경우 무려 442,253 kg의 하중이 나간다.

양력은 중력과 반대적 성질을 나타내며, 양력이 클수록 더 많은 하중을 들어 올릴 수 있다. 양력에는 유체의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고, 속도가 늦어지면 압력이 높아진다는 베르누이의 원리가 적용된다. 

출처: [네이버 지식백과] 비행기의 원리 - 무거워도 날 수 있을까? (원리사전, 남미란)

두 갈래로 나누어져 흐르던 공기의 흐름 중 날개 위 곡면을 따라 흐르는 공기의 흐름은 날개 아랫부분으로 꺾인 공기의 흐름 보다 속도가 빠르게 된다. 날개 주변의 공기의 흐름을 선으로 표현하면 위의 그림과 같이 되는데 날개 위쪽은 선의 간격이 좁고, 날개 아래쪽은 선들의 간격이 넓게 된다. 이는 날개 위쪽은 공기속도가 크고 아래쪽은 공기의 속도가 위쪽보다 작다는 것을 나타낸다.

이는 베르누이 원리를 통해 공기 속도가 큰 날개 위쪽은 공기 압력이 작고, 공기속도가 작은 날개 아래쪽은 공기 압력이 크다는 것을 알 수 있다. 그래서 공기의 압력이 큰 아래쪽에서 공기의 압력이 작은 위쪽으로 밀어 올리는 힘인 양력이 발생하게 되는 것이다. 이 양력 덕분에 우리는 400톤이 육박하는 비행기들을 탈 수 있는 것이다.

추진력은 비행기를 움직이게 하는 원동력으로, 엔진을 통해 얻는다. 추진력은 반드시 높을 필요는 없지만, 그렇다고 터무니없이 낮아서도 안된다. 전투기는 보통의 여객기들 보다 상당한 추진력을 갖고 있다. 현대의 전투기들은 음속(340m/s) 이상의 속력을 낸다.

저항력은 추진력과는 반대되는 개념으로 공기의 마찰이라고 생각하면 된다. 저항력을 줄이기 위해 비행기들은 유선형의 몸통을 갖는다. 일정한 속도로 평형을 이루며 비행할 때 추진력이 저항력 보다 커지면 수평 속도의 증가로 베르누이의 원리에 의해 양력이 커져 더 높이 비행이 가능하다. 반대로 추진력 보다 저항력이 강해진다면 양력이 약해져 중력과의 평형이 깨져 더 낮게 비행이 가능하다.

비행기가 비행 중일 때는 항상 이 4가지의 힘이 복합적으로 작용한다. 중력, 양력, 추진력, 저항력은 항상 벡터적으로 합해지며, 비행기의 안정성과 균형은 바로 이 4가지 작용 요소들을 얼마나 효과적으로 분배하는가에 달렸다.

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활주로를 달리는 수송기

비행기의 총중량을 날개의 면적으로 나눈 값을 날개 하중이라고 한다. 이것은 날개의 1m2의 면적당 몇 kg의 양력을 내는가의 값을 나타낸다. 고속의 제트 수송기는 1m2당 600kg 정도이지만, 경비행기는 50~100kg 정도이다. 비행기가 일정한 속도로 수평비행을 하고 있을 때는 추진력과 저항력이 균형이 잡혀 있다. 여객기나 수송기의 경우엔 날개를 상당히 크게 설계하여 양력을 최대로 이끌어내 더 많은 양의 인원과 물자를 수송할 수 있다.

어떤 비행기든지 각기 최소속도가 정해져 있어 그 속도 이하에서는 비행할 수 없으므로, 지면으로부터 이륙할 때는 그 최소속도 이상이 될 때까지 지상을 활주하여 가속에 의해 필요한 양력을 얻어야 한다. 또 착륙할 때도 최소속도 이상의 속도로 접지하므로 정지할 때까지 지상을 활주하여 감속해야 한다. 보통의 비행기가 이착륙할 때 지상 활주가 불가피한 것은 이 때문이다.

 

(사진출처=pixabay, 네이버 지식백과)

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