[위즈덤 TECH]모든 비행의 시작: 비행기는 어떻게 뜰까?
[위즈덤 아고라 / 이석현 기자] 매일 약 100,000개의 비행기들이 이륙한다. 약 200여 년 전에는 상상도 못 할 일이 지금은 아주 당연하고 일반적인 일이 되었다. 하지만 아직도 약 5000 kg에서 50,000 kg까지 육박하는 엄청나게 무거운 쇳덩어리들이 중력의 힘을 이겨내고 떠다니는 것이 신기한 사람들도 많다. 그러면 이러한 현상들은 어떻게 가능한 것일까?
비행기가 뜨기 위해서는 4가지의 힘이 적용된다. 바로 물체를 아래서 위로 뜨게 하는 힘인 양력, 물체를 뒤로 당기는 힘인 항력, 물체를 앞으로 가게 하는 추력, 그리고 물체를 지상으로 당기는 중력이다. 이 4개의 힘 중 비행기를 지면 위로 뜨게 하는 힘은 양력이다. 즉 쉽게 말해서 양력의 힘이 중력의 힘보다 크면 어떤 물체는 뜰 수 있다. 하지만 비행기가 뜨기 위해서는 더 많은 요인들이 필요하다.
비행기의 날개를 자세히 살펴보면 평평하지 않은 것을 알 수 있다. 이를 풍판이나 에어포일이라고 부르는데 이는 길쭉한 타원형으로 생겼는데 위쪽은 둥글고 아래쪽은 평평하다. 이렇게 생긴 이유는 양력 발생의 기본 원리가 숨겨져 있다.
양력을 이해하기 설명서는 베르누이 법칙을 이해해야 된다. 1738년 어느 날 베르누이는 유체가 규칙적으로 흐르는 것에 대한 속력, 압력, 높이의 관계에 대한 법칙을 발표하게 된다. 에너지 보존법칙에 따라 상대속도가 있는 고체와 유체의 상호작용을 설명한 원리로 그리고 여기서 압력과 속도에 대한 기본적 관계가 따라 나오게 된다. 베르누이의 정리는 쉽게 말해 유체가 관을 따라 이동할 때 압력과 속도는 반비례한다는 것이다. 단면적이 큰 단면적이 작은 단면적으로 어떤 유체가 이동할 때 이 유체의 속도는 높아지고 압력은 낮아지게 된다. 반대로 작은 단면적에서 큰 단면적으로 이동하면 속도가 낮아지고 압력은 높아진다. 이는 소방호스를 생각하면 이해가 쉽다. 소방호스를 보면 물줄기가 나오는 노즐이 매우 좁다. 이 때문에 물줄기가 나오는 압력은 줄어들고 속도는 매우 빠른 것이다.
베르누이 법칙을 비행기 날개에 적용해 보면 유선형인 모양 특성 때문에 윗면이 아랫면보다 더 면적이 크고, 공기가 이동하는 길이도 길다는 것을 알 수 있다. 그러므로 날개 위쪽과 아래쪽으로 가는 공기가 같은 시간 안에 날개를 지나가야 하기 때문에 더 멀리 이동해야 하는 날개 위쪽에 더 빠른 공기 흐름이 생긴다. 그리고 베르누이의 정리에 의해 속도와 압력은 반비례한다고 했고, 공기의 흐름이 갑자기 바뀌고 속도가 변하면서 압력에도 변화가 생기게 된다. 속도가 높아진 날개 위쪽 단면 주위에는 압력이 낮아질 것이고, 속도가 낮아진 날개 아래쪽 단면 주위에는 압력이 높아질 것이다. 고기압에서 저기압으로 이동하는 일기예보처럼 압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 적용하기 때문에 높은 압력의 날개 아래쪽에서 낮은 압력의 날개 위쪽으로 힘이 작용할 것이다. 이 때문에 전체적으로 날개의 위쪽 방향에 알짜힘이 작용할 것이고 때문에 ‘양력’이 발생해 비행기는 위로 뜨는 것이다.
하지만 베르누이의 법칙에 의한 양력에는 엄청난 반전이 숨겨져 있는데 바로 미항공우주국(NASA)에 의해서도 정면으로 반박되었다. 즉 베르누이 정리로만으로는 부족하고 오류가 있다. 그러면 비행기의 양력은 어떻게 생길까?
현재의 양력 설명을 이해하려면 풍판에 대해 조금 더 살펴봐야 한다. 풍판을 크게 대칭형과 비대칭형으로 나뉘게 되는데 이러한 비행할 때 풍판을 수평의 위치가 아닌, 살짝 앞쪽이 들린 상태로 동체를 띄우게 된다. 이때 달라지는 각도를 받음각이라고 불린다.
받음각은 풍판의 전연과 후연을 잇는 시위선과 기류가 이루는 각으로써 영각이라고도 한다. 시위선이란 날개의 앞전(Leading Edge)과 날개의 뒷전(Trailing Edge) 사이를 이은 가상의 직선을 말한다. 고정익의 경우 일정 속도 이상에서 기수를 틀어 동체에 고정되어 있는 풍판을 기울임으로써 받음각을 수정할 수 있다. 이렇게 받음각이 변화하게 되면, 에어포일의 상부와 하부에 흐르는 공기의 흐름이 차이가 나게 된다. 이때, 상부로 흐르는 공기는 풍판의 상부를 따라가다가 아래로 내려가게 된다. 이때, 상부를 따라 올라가는 방향의 공기흐름을 업워시(up wash), 상부를 따라 흐르다가 아래로 내려가는 공기흐름을 다운 워시(down wash)라고 하는데 이때, 아래로 떨어지는 다운워시에 대한 반작용의 힘으로 동체가 위로 떠오른다는 것이다.
뉴턴의 작용 반작용의 법칙은 그의 운동법칙 가운데 하나이다. 이는 어떤 물체가 다른 물체에 힘을 작용했다면, 그 다른 물체도 어떤 물체에 반대 방향으로 같은 힘을 작용한다는 법칙이다. 풍판의 상부를 보면 위로 흘러가는 공기가 방향을 바꿔 아래로 흘러가게 된다. 이때 방향을 바꿔 아래로 떨어지는 힘에 대한 반작용으로 위로 솟구치는 힘인 양력이 발생한다는 것이다.
베르누이의 원리는 에너지 보존의 법칙에서 곁가지로 나온 원리이다. 유체에 대한 적용으로, 내용은 구체적이지만 비행기에 적용할 수 있는 범위는 굉장히 한정적이다. 하지만 작용 반작용의 법칙은 말 그대로 ‘법칙’으로써 일반적인 상황에 적용 가능한 내용을 담고 있다. 과학은 이상현상이 발생되거나 오류가 발견되면 분석을 통해 진실과 가까운 사실을 받아들이면서 발전하고 있다. 양력 발생에 있어 베르누이의 원리가 진리라고 생각했던 시절에서, 새로운 데이터를 통해 작용 반작용의 법칙으로 양력을 설명하는 시대로 넘어왔다. 이렇게 과학 사회는 계속해서 발전하고 있다.
[위즈덤 TECH] 시간이 흐르며 인공지능이 발전하는 것 처럼 우리 주변에 있는 수많은 기계들도 발전합니다. 일상적으로 접할 수 있는 기계의 원리들에 관해 칼럼으로 연재합니다. 위즈덤 아고라 이석현 기자의 ‘위즈덤 TECH’를 만나보세요.
