#비행기 가 하늘을 나는 힘인 #양력 이 어떻게 발생하는지에 대한 원리
양력이란
우선 지구상의 물체가 지표면에 붙어 있는 이유는 바로 지구의 질량으로 인한 #중력 때문이다.
하늘을 날기 위한 가장 간단한 방법은 #중력 을 상쇄할 수 있도록 중력의 반대방향으로 #추력 을 발생시키는 것이다. 그러나 하늘을 날 정도의 추력을 지속적으로 발생시키는데는 많은 에너지가 소모되기 때문에 대안으로 활용되는 것이 바로 #양력 이다.( 강력한 추력으로 지구의 중력권을 빠르게 벋어나기 위한 우주선은 하늘을 날지만 날개가 없다.) #날개 를 가진 물체를 추력으로 전진시키면 날개주위에 공기가 흐르면서 양력이 발생하고 물체를 띄우게 된다.
양력의 발생
이 #양력 은 크게 2가지 이론으로 설명할 수 있다. 첫번째는 유체의 속도와 압력의 상관관계를 나타내는 #베르누이정리 이며 두번째는 뉴턴의 #작용반작용의법칙 이다. 또한 베르누이정리에 대한 이론적 보완으로 #마그누스효과 를 설명하기고 한다.
양력 = 베르누이정리(+마그누스효과) + 뉴턴의 작용반작용 법칙
베르누이 정리
베르누이 정리 (국립항공박물관)
베르누이 정리: 유체의 속도 와 압력은 반비례
→ 날개위의 공기(유체) 속도는 빠르고, 날개아래 공기 속도는 느림
→ 유속에 따른 압력 차이에 의해 양력이 발생
#스위스 수학자이면서 이론물리학자인 #베르누이 (1700~1782)는 유체의 속도와 압력이 반비례한다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 이후 #베르누이정리 는 비행기의 양력을 설명하는 가장 중요한 이론으로 적용되었다. 일반적인 #비행기날개 의 단면은 공기저항을 최소화하는 #에어포일 형상(날개윗부분이 활모양으로 동글게 휘어져 있는형상)으로 날개 윗면에 흐르는 공기가 날개 아랫면에 흐르는 공기보다 빠르게 흘러가도록 되어 있다. 이에 따라 윗면에 흐르는 공기로 인해 낮은 압력이 발생한 뒤 날개 아래쪽에서 위쪽으로 밀어올리는 힘 양력이 발생하여 비행기가 하늘로 떠오르게 된다.
그러나 #베르누이의정리 는 이상적인 공기 흐름상태를 유지할 때만 설명이 가능해서 이를 보완하는 이론으로 #마그누스효과 가 설명된다.
마그누스효과 도해(국립항공박물관)
마그누스 효과
마그누스효과: 유체의 회전에 따라 양력이 발생
→ 날개 끝부분에는 공기가 회전하여 양력이 발생
#마그누스효과 는 물체의 주위에 생성된 공기 흐름의 순환 으로 #양력 이 발생한다는 이론이다. 날개 위 아래를 흐르던 공기가 날개 끝부분에서 합쳐지면서 공기가 순환하게 되는데 이 순환하는 힘으로 인해 양력이 발생하는 것이다. ( 두개의 물줄기가 만나면 소용돌이가 만들어지는 현상과 유사) 이러한 현상은 1852년 독일 물리학자 #구스타프 마그누스가 포탄의 탄도를 연구하는 과정에서 발견하였다고 해서 그의 이름을 따 마그누스효과라고 이름 붙여졌다. 마그누스효과로 #야구공 이나 #축구공 의 궤적이 변하는 것도 설명할 수 있다. 마구느스 효과로 인해 중력으로 공이 떨어지는 힘을 상쇄시키고 똑바로 날아가게 하거나, 볼의 괘적에 변화를 준다.
뉴턴의 운동3법칙
뉴턴의 작용반작용
방패연은 위로 복록한 형태를 하고 있지는 않지만 하늘 높이 떠오를 수 있다. 방패연의 경우에는 베르누이의정리에 의한 설명보다 뉴턴의 작용반작용 운동법칙을 통해 이해하는 것이 효과적이다. (바람이 돛에 부딛쳐 추진력을 얻는 범선의 운항원리와도 비슷하다.) 뉴턴의 운동법칙은 추력에서와 마친가지로 일정한 #받음각 (AOA: Angle of Attack)을 가진 물체에 작용하여 비행기를 들어올리게 된다. 받음각이 적당하면 들어올리는 힘이 작동하지만 너무 커지면 오히려 공기저항으로 작용하기 때문에 양력을 소멸시킨다. 이 뉴턴의 뉴턴의 운동3법칙으로 #배면비행 (비행기의 위아래가 뒤집혀서 하늘을 나는 것) 이 가능한 이유를 설명한다.
