비행기는 어떻게 하늘을 날 수 있나요?
원래 높은 곳에서 낮은 곳으로 힘이 작용하는 중력이 있으니까 날 수 없는 것이 일반적인 것 같은데 비행기가 하늘을 나는 원리가 궁금합니다.
안녕하세요.
비행기가 하늘을 나는 원리는 공기역학(Aerodynamics)의 주요 개념인 양력(Lift), 항력(Drag), 추력(Thust), 중력(Gravity)의 상호 작용을 통해 설명될 수 있습니다. 일반적으로 물체는 중력에 의해 아래로 끌려가기 때문에, 이를 극복하고 공중을 유지하려면 충분한 양력이 필요합니다. 이 양력은 주로 비행기의 날개에서 발생하며, 이는 베르누이의 원리(Bernoulls Principle)와 뉴턴의 운동 법칙(Newtons Laws of Motion)에 의해 설명됩니다.
비행기가 상승하기 위해서는 양력이 중력보다 커야 하며, 이를 위해 날개는 공기 흐름을 효과적으로 조절하는 구조를 가지고 있습니다. 비행기의 날개는 에어포일(Airfoil) 형상으로 설계되는데, 이는 날개의 상부 곡률이 하부보다 크도록 형성되어 있습니다. 이에 따라 날개를 지나는 공기의 흐름 속도가 상부에서 더 빨라지고, 베르누이의 원리에 의해 압력이 낮아지게 됩니다. 반면, 날개 하부를 지나는 공기의 속도는 상대적으로 느리므로 압력이 상대적으로 높아집니다. 이러한 차이로 인해 날개에는 위쪽 방향의 힘, 즉 양력이 발생하게 됩니다.
양력은 뉴턴의 제3법칙(작용-반작용의 법칙 ; Newton`s Third Law)과도 관련이 있습니다. 날개가 공기를 아래 방향으로 밀어내면, 이에 대한 반작용으로 위쪽 방향의 힘이 발생하여 비행기를 띄우는데 기여하게 됩니다. 이는 양력 공식으로 표현이 가능합니다 :
L = ½ ρ v² S C
여기서, L은 양력(N), ρ는 공기의 밀도(kg/m³), v는 공기의 상대 속도(m/s), s는 날개의 면적(m²), Cₗ은 양력 계수(Coefficient of Lift)입니다. 이 식에서 알 수 있듯이, 양력은 공기의 속도가 빠를수록, 공기의 밀도가 높을수록, 날개 면적이 클수록 증가합니다. 따라서 비행기는 일정한 속도를 유지하고, 날개의 기울기(받음각 ; Angle of Attack)를 조절하여 양력을 생성합니다.
비행기는 엔진에서 발생하는 추력(Thrust)을 이용하여 앞으로 나아가며, 이에 따라 공기의 흐름이 날개를 지나면서 양력을 발생시킵니다. 그러나 비행기에는 공기 저항으로 인한 항력(Drag)이 작용하며, 이 항력을 극복하기 위해 엔진의 추력이 충분해야 합니다. 또한, 중력(Gravity)은 비행기를 지면으로 끌어당기므로, 이를 극복할 수 있을 만큼의 양력이 필요합니다.
결론적으로, 비행기가 하늘을 나는 것은 양력과 중력의 균형, 추력과 항력의 균형이 적절하게 조절되었을 때 가능합니다.
이와 같은 내용을 심도 있게 접근하고 싶으시다면 Fundametals of Aerodynamics (John D. Anderson, 6th Edition, MCGraw-Hill)과 같은 문헌을 추천드립니다.안녕하세요. 김재현 전문가입니다.
하늘을 나는 원리는 양력을 기반으로 날 수 있습니다. 양력이 생기는 원리는 비행기의 날개 위와 아래의 힘의 차이가 발생하기 때문인데요. 비행기의 날개 아래면과 윗면을 비교해봤을때 아래쪽은 압력이 강하고 위쪽은 약합니다. 그래서 위로뜰수있는것이죠