[홍서연의 과학 칼럼] 양력, 인류의 꿈을 실현시키다

오래전부터 인류는 새를 보며 하늘을 나는 꿈을 꾸어왔다. 고대 신화를 보면 새와 같은 형상의 날개가 있는 신의 모습이 존재하며 발명가와 과학자들은 이를 실현하고자 날개 장치를 직접 만들어 달고 높은 데서 뛰어내리기도 하고 새처럼 날갯짓도 해보고 열기구를 만들어 띄워보기도 했다. 하지만 이는 오래 날지 못하는 한계가 있었고 이후 과학이 점점 발달하며 공기가 흐를 때 물체가 위로 뜨는 힘. 즉 양력의 원리가 밝혀졌다. 이 양력의 원리로 비행기술이 눈부시게 발전하기 시작하였다. 그렇다면 오늘날 인간이 하늘을 날 수 있도록 해준 비행기는 어떻게 잘 날 수 있는 것일까.

 

하늘을 나는 비행기에는 크게 네 가지 힘이 작용한다. 먼저 엔진에 의해 앞으로 나아가는 추진력과 이를 방해하는 공기 마찰에 의한 항력, 또 자체 무게에 의한 중력, 이것을 위로 끌어올리는 양력이 있는데 바로 이 양력 때문에 비행기가 위로 뜬다. 양력은 고체와 유체 사이에 움직임이 있을 때 그 움직임에 수직인 방향으로 발생하는 힘이다. 받음각을 가진 날개 위쪽을 흐르는 공기는 아래쪽을 흐르는 공기에 비해 빨라진다. 날개 위쪽을 흐르는 공기의 가속에 의한 운동에너지 증가는 곧 압력에너지의 감소를 불러오고 이 때문에 날개의 위아래 면에는 압력차가 발생하게 되며 날개는 공기가 흐르는 방향에 수직한 방향으로 떠오르게 된다. 이때 공기를 받는 날개의 각도를 받음각이라고 한다. 비행기의 날개는 일반적으로 위쪽이 아래쪽보다 더 볼록한 형태로 제작되는데 이는 저항을 줄이면서 양력을 극대화하는 형태가 된다. 이 날개를 자른 단면 에어 포일(airfoil, 날개 단면형상)이 양력을 최대화하고 항력을 최소화하게 한 유선형의 날개 단면이다. 흐르는 유체 속에 놓인 날개의 볼록한 윗부분은 압력이 낮고 오목한 아랫부분은 압력이 커지는데 커진 압력이 날개를 위로 들어 올리는 것이다. (참고 : https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=5741536&cid=60217&categoryId=60217)

 

 

그럼 안전한 이착륙과 장거리 비행은 어떻게 가능한 것일까? 비행기는 처음부터 하늘에 뜨는 것이 아닌, 활주로에서 어느 정도 속도가 붙어야 공중에 뜬다. 활주로를 달려 비행기 날개는 공기들을 가르며 앞으로 전진하는데 이때 유체의 흐름이 생겨 날개의 위쪽 부분의 공기는 빠르게 흐르고, 아래쪽 부분은 상대적으로 느리게 흐른다.  그러면서 날개 위와 아래의 압력차이가 발생하고, 압력은 높은 곳에서 낮은 곳으로 가려는 성질이 있기 때문에 양력이 발생하여 날개를 위로 밀며 비행기가 뜨게 된다. 이때 비행기의 속도와 날개의 받음각, 면적, 모양 등은 양력의 크기에 영향을 미친다. 비행사는 이들을 적절히 조절하며 안전한 비행을 하는 것이다. 최적의 이륙을 위해서는 속도를 증가시키고 받음각과 면적을 적절히 조절하는 조정을 하게 된다. 상공에서 비행기는 저속비행, 순항비행, 고속비행을 하게 되는데 저속비행 시엔 속도가 느릴 때 중량을 충분히 받을 수 있는 양력을 유지하기 위해 비행기의 앞부분을 다소 올려 받음각을 상대적으로 올려줘야 한다. 순항비행 시엔 수평직진비행에서 추력을 올려 속도를 올리면 받음각은 줄여 양력을 조절함으로써 고도를 유지한다. 고속비행 시엔 증가한 추력과 더불어 받음각을 감소하지 않으면 비행기는 계속 상승한다. 고속비행을 하면 받음각이 거의 0에 가깝게 해야 고도가 유지된다. 착륙하려는 비행기는 도착공항 활주로를 향해 속도를 줄이고 고도를 낮추면서 접근하는데 이때 비행기 기수를 들어 진행 방향의 받음각을 높이면 양력이 생겨 위로 뜨는 힘이 보강된다. 이렇게 양력을 더하면서 속력을 점차 줄이면 갑자기 비행기가 추락하지 않고 사뿐히 땅에 닿을 수 있게 된다. (참고 : http://blog.naver.com/prkac/221527921841)

 

 

하늘을 날고자 하는 인류의 꿈을 실현하기 위해 얼마나 많고 많은 시행착오와 숭고한 희생과 노력이 거듭됐는지, 또한 지금도 그러한 노력은 끊임없이 이루어지고 있다는 것을 안다. 오늘날 비행과 비행기의 모습은 계속 업그레이드하고 있다. 더 편리하고 빠르고 목적에 맞는 이용을 위한 다양한 드론개발, 개인용 비행기를 실현하기 위해 지동차과 비행기를 겸한 플라잉카, 양력을 극대화한 날개를 이용하여 활주로를 단축하는 노력 등이 또 다른 미래의 꿈을 실현하고 있다. 이러한 노력이 계속해서 이어진다면 새처럼 자유롭게 나는 인간의 꿈은 꿈이 아닌 현실로 다가오지 않을까 생각해본다.

 

 

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