비행기가 하늘을 나는 원리를 알고 싶습니다.
비행기가 일정속도, 일정 고도를 유지하고 직진 비행을 할 때는 뉴턴의 제1운동법칙(관성의 법칙)에 따라 비행기에 작용하는 힘들이 평형을 이루게 된다.
비행기에 작용하는 힘으로, 지구 중력에 의해 아래로 향하는 힘과 이와 대등한 양력이라는 힘이 날개에서 발생한다.
또한 공기의 마찰과 압력에 의하여 비행기가 전진하지 못하게 하는 항력이 발생하고, 이 힘과 평형을 이루기 위해서 엔진에서 추력을 발생시킨다. 이러한 힘들이 평형을 이룰 때 비행기가 순항하며, 힘의 균형이 깨질 때 비행기가 상승 또는 하강, 가속 또는 감속하는 것이다.
양력이 발생하는 근본원리는 뉴턴의 제3운동법칙인 작용과 반작용의 원리이다.날개 주위를 흘러 지나간 공기는 날개 뒤에서 아래로 밀려나게 되는데, 이렇게 공기를 아래로 민 반작용으로 날개는 양력이라는 힘을 발생시킨다.
이렇게 양력이 생기려면 항공기가 속력을 얻어야 한다.
속도를 내기 위해 비행기가 이륙할 때 활주로를 힘차게 달리는 모습을 볼 수 있다. 양력 발생은 스위스 수학자인 야곱 베르누이(Jakob Bernoulli)가 발견한 베르누이 원리로 쉽게 설명되기도 한다.
베르누이의 원리는 공기의 흐름이 빠른 곳에서는 압력이 낮아진다는 것이다. 날개가 공기를 내리누르는 자세를 취하면 공기가 날개 윗면을 돌아서 지나가는 구간에서 속도가 매우 빨라지는 반면, 날개의 아랫면에서는 날개에 의해 눌린 공기압이 낮고 아랫면의 공기압이 높아져 상하 압력 차이만큼 위로 향하는 힘, 즉 압력이 생긴다.
출처 : 「교양으로 읽는 과학의 모든 것」2권의 ‘무거운 짐을 싣고도 멀리 나는 비행기의 원리’ 중.성기정 (한국항공우주연구원 책임연구원)
비행기의 날개를 자세히 보면 위쪽이 조금 볼록하고 아래쪽은 평평하게 되어 있습니다.
여기에 바람이 세게 불어오면, 날개 위쪽으로는 공기가 볼록한 곳을 넘어야 하기 때문에 빨리 지나가고, 아래쪽으로는 느리게 지나갑니다.
그러면서 아래쪽의 공기가 날개를 위로 밀어 올리게 됩니다.
비행기가 새처럼 날개를 파닥거리지 않는데도 하늘을 날 수 있는 건 바로 이런 원리 때문입니다.
그럼 바람이 세게 불지 않을 때는 비행기를 어떻게 하늘로 띄울 수 있을까요?
센바람과 똑같은 효과를 얻기 위해, 비행기가 뜨거나 내릴 때에 긴 활주로를 엔진을 통해 빠른 속도로 내달립니다.
엔진은 가스를 뒤로 아주 세게 내뿜어서 비행기를 앞으로 나아가게 합니다.
그러다 충분한 속도가 되면 마침내 비행기는 하늘로 떠오르게 됩니다.
출처 항공우주 박물관
