< 일러스트 OpenAI의 DALL·E 제공 >
부력과 양력, 어떤 힘들일까?
[위즈덤 아고라 / 이승원 기자] 사람들은 살아가면서 한 번쯤은 비행기나 배를 타본 경험이 있을 것이다. 비행기나 배는 그 자체로도 큰 무게를 가지고 있지만 수많은 사람들을 그 위에 태워야 한다. 그렇다면 어떻게 공기나 물처럼 가볍고 흐르는 성질을 가진 물질이 그렇게 무거운 비행기나 배를 떠받칠 수 있을까? 어떻게 우리도 뚫고 지나갈 수 있을 정도로 약한 물질들이 무거운 이동수단을 들을 수 있는 것일까?
이 강력한 힘들은 부력과 양력이라고 불린다. 부력은 기체나 액체가 물체에 가하는 반대의 힘이고, 양력은 기체의 흐름에 의해서 생기게 되는 위나 아래로 향하는 힘을 의미한다. 부력은 기체나 액체의 밀도와 물체의 밀도, 그리고 중력과 관련하여 발생한다. 이 힘은 주로 아르키메데스의 원리에 의해서 설명된다. 그 원리에 따르면, 액체나 기체에 가만히 갇혀있는 물체는 아래에서 부력을, 위에서는 중력을 받아 평형 상태를 이루게 된다. 물체의 부력은 부피와 관련이 있다. 물체가 액체나 기체 안에 들어가 있는 부피와 부력의 크기는 비례한다. 또한 물체의 밀도가 크면 클수록 더 깊이 가라앉게 된다.
양력은 기체의 흐름에 의해 생성되는 위나 아래 방향의 힘이다. 날개와 같은 물체는 지나가면서 기체를 위와 아랫부분으로 분리시키는 현상을 일으킨다. 위로의 흐름과 아래로의 흐름이 날개의 형태에 따라서 달라지게 된다. 그로 인해 속도가 변하고, 속도는 압력의 차이를 만들어낸다. 압력의 차이는 더 높은 압력이 더 낮은 압력을 향해 흐름으로서 양력이 발생하게 된다. 이 압력의 크기 차이는 날개 디자인, 공기 흐름 속도, 각도, 그리고 밀도 등에 의해서 많은 영향을 받는다. 그 이유로 비행기의 무게에 따라 날개의 단면 형태는 비슷하지만 조금씩 다 다르다.
배와 비행기
배는 기원전 3000 ~ 4000년 또는 그 이전부터 사용된 흔적이 있다. 이렇게 오래전부터 다양한 지역에서 배는 널리 사용되어 왔다. 배는 기원 후에도 많은 사람들이 이동하거나 무역을 하기 위해 사용했다. 산업혁명 이전 배들은 바람에 많이 의존하였으나, 산업혁명 때 증기 기관의 발명으로 바뀌게 되었다. 이후 이동 속도가 훨씬 빨라졌으며, 전 세계를 연결하는 이동수단 중 하나로 자리를 잡았다. 비록 현대에서 배는 이동보다는 화물 운송을 중요시하며 무역에 더 큰 기여를 하지만 사람을 이동시키는 수단인 사실에는 변함이 없다.
배는 부력을 이용한 수단 중 가장 대표적인 예시이다. 바닷물에 닿는 포면적을 넓힘으로써 배가 가라앉지 못하게 디자인되어 있다. 그와 동시에 바닷물을 그 무게에 반해 빠른 속도로 이동할 수 있게 맨 아래 부분은 뾰족하게 되어있다. 배는 단순하게 생긴 모습에 비해 그 무게를 물 위에 띄우기 위한 많은 디자인적인 노력이 들어가 있다. 그렇게 축적되는 노력은 배가 한 번에 더 많은 무게를 버티고 더 빠른 속도로 대륙과 대륙 사이를 이동할 수 있도록 한다.
배에 비해 최근에 발명된 수단인 비행기는 배의 대부분의 역할을 대체했다. 사람들은 더 편하고 빠른 속도로 해외를 향할 수 있고, 그럼으로써 국가 간의 교류가 더욱 활발해졌다. 비행기는 배와 다르게 양력의 영향을 더 많이 받는다. 비행기의 날개는 양력을 효율적으로 이용하기 위해 만들어졌다. 몸체에 비해 얇은 날개들이 큰 비행기를 띄울 수 있는지는 날개의 단면 모습에 담겨있다. 비행기의 날개는 위쪽이 더 두껍고 둥그렇게 만들어져 있다. 그에 비해 아랫부분은 위에 비해 평평한 형태이다. 위쪽과 아래쪽이 가하는 힘의 차이로 인해 기체는 위쪽에서 더 빠른 속도로 이동하게 된다. 더 빠른 속도로 인해 낮은 압력을 가지게 되고 아래에서의 느린 속도는 더 높은 압력을 만든다. 그 압력차는 비행기가 위로 날 수 있게 도와준다.
배와 비행기뿐만 아니라 양력과 부력을 이용하는 예시는 다양한 곳에서 찾아볼 수 있다. 헬리콥터, 구명조끼, 드론, 풍력발전기 등 많은 곳에서 부력과 양력의 도움을 받고 있다.
띄우는 매개체 없이 날 수 있다고?
그러나 기체나 액체 같은 매개체 없이 물체를 띄우는 기술이 개발되었다. 2015년, 호주연방과학원에 세계 각국에서 70명의 과학자가 모였다. 그때 각국에서 과학연구원들이 모인 이유는 NASA(미국항공우주국)가 발표한 ‘마스 2020’에 대한 이야기를 듣기 위해서였다. 마스 2020은 NASA의 화성탐사 프로젝트로, 화성에 도착하여 화성의 지질 및 기후와 표면에 있는 생명체의 흔적에 대해 조사하기 위함이었다.
이때 많은 사람들의 눈길을 끈 것은 화성 헬리콥터(인제뉴어티 헬리콥터)였다. 화성에서 탐사하는 로버들은 너무 멀리 떨어져 있어 해상도가 아주 낮다는 문제가 있었다. 그런 문제를 해결하기 위해 NASA는 이전부터 화성에 띄우는 탐사 비행체에 대한 계획을 세웠다. 아이디어는 단순하고 기발해 보이지만, 실제로는 매우 어려운 과제였다. 화성에서의 중력은 지구의 중력의 반보다 작기 때문에 비행체를 띄우기 위해서는 더 적은 힘이 필요하다. 그러나 그 적은 힘을 만들어내기도 힘든 작은 밀도의 대기로 인해 드론을 띄우기 위한 양력이 부족했다.
이 문제를 해결하기 위해 NASA는 인제뉴어티 헬리콥터 스스로 뜰 수 있게 만드는 프로펠러를 고안했다. 그 프로펠러는 동일한 축에서 두 개의 위아래 프로펠러가 서로 다른 방향으로 돌게 되는 것이다. 이 방식을 동축반전식이라고 한다. 만약 동축반전식이 아닌 단 하나의 프로펠러가 돌고 있다고 생각해 보면, 한 방향으로 돌 때 다른 방향으로 향하는 반작용의 힘이 존재한다. 이 힘은 큰 힘을 만들어 내는 것을 막는다. 그러나 동축반전식은 서로의 반작용 힘을 상쇄시키면서 비행체의 안정성을 높일 수 있다.
결국 마스 2020 프로젝트는 성공적으로 화성에 도착했다. 그리고 인제뉴어티 헬리콥터는 성공적으로 화성에서 비행을 성공하게 되었다. 동시에 인제뉴어티 헬리콥터는 화성에서 최초로 비행한 비행체가 되었다. 이 성공을 통해 과학자들은 화성에 대한 더 많은 정보를 더 높은 해상도로 수집하고 연구할 수 있을 것이다.
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