비행기의 양력과 비행기 날개의 상관관계

양력의 발생 원리

비행기의 양력(뜨는 힘)은 비행기의 속도, 날개의 크기와 모양, 두께 등의 영향을 받는다. 

비행기 날개의 윗면과 아랫면을 통과하는 공기의 흐름은 속도와 압력에 따라 차이가 난다. 일반적으로 날개의 윗면이 날개의 아랫면보다 볼록하기 때문에 윗면의 기류(공기의 흐름) 속도가 날개 아랫면의 속도보다 빠르다.

베르누이의 정리에 따르면, 유체의 속도가 빠르면 압력이 낮아진다. 즉, 날개 윗면의 공기 압력이 날개 아랫면의 공기 압력에 비해 낮아지게 된다.

힘은 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 작용한다. 그래서 비행기 날개 아랫면에서 윗면 방향으로 힘이 작용하게 되므로 비행기를 뜨게 하는 힘인 양력이 발생하게 되는 것이다.

속도와 양력의 관계

비행기의 속도가 빨라지면 양력의 크기는 커진다. 일반적으로 비행기의 양력은 비행기 속도의 제곱에 비례한다. 따라서 무거운 비행기를 이륙시키기 위해서는 비행기의 속도를 빠르게 해야한다. 비행기의 속도를 빠르게 하기 위해서는 지상에서 활주하는 거리가 길어야 한다. 이것이 공항의 비행기 활주로들이 긴 이유다.

그리고 공중에 떠 있기 위해 속도를 빠르게 한 비행기가 착륙할 때, 비행기의 접지 속도가 빨라 특별한 제동장치가 없다면 착륙 거리 또한 길어진다.

날개모양과 양력의 관계

1. 직선익

비행기의 속도가 느린 상태에서 양력을 크게 하려면 날개를 크게 제작하면 된다. 비행기의 최대속도와 운항속도 자체가 느린 저속 비행기의 경우 날개를 크게 제작할 때에는 날개의 가로세로비를 크게한다는 특징이 있다. 비행기의 날개를 직선익 형태로 하여 날개의 가로세로비를 크게 제작하면 양력이 발생하는 면적이 넓어져 비행기에 작용하는 양력이 커진다.

△ 직선익 형태의 저속비행기

* 직선익 : 동체기준선에 대하여 날개의 기준선이 직각을 이루고 있는 날개 형태.

일반적으로 저속 비행기인 글라이더나 소형비행기는 가로세로비가 큰 직선익 모양으로 제작한다. 이때 날개의 가로세로비는 약 7~14 정도이다.

2. 후퇴익

전투기와 같이 운항속도가 빠른 비행기들은 날개의 가로세로비가 3.0~3.5 정도이다. 날개의 후퇴각 또한 상당히 크다.

△ 후퇴익 날개모양의 비행기(좌)와 전투기(우)

* 후퇴각 : 비행기에서 동체의 기준선에 대하여 날개의 기준선이 직각보다 뒤쪽으로 기울어진 각도.

비행기의 속도가 빨라지면 날개가 공기에 부딪히는 현상에 의해 비행기의 진행을 방해하는 항력이 커진다. 특히 비행기가 천음속의 영역에 도달하면 날개에 부딪힌 공기가 압축됭 충격파가 발생한다. 이때 항력이 급격하게 증가하게 되는데, 후퇴익의 날개모양을 사용하면 항력을 감소시킬 수 있다.

* 천음속 : 기류와 물체의 상대속도가 음속에 가까워, 그 물체 주위의 흐름 속에 음속보다 느린 부분과 빠른 부분이 공속하는 속도의 범위. (음속의 0.8~1.4배의 음역)

후퇴익은 직선익에 비해 날개를 통해 얻게 되는 약력은 작지만 천음속 영역에서 발생하는 항력을 감소시키는 효과가 탁월하기 때문에, 높은 속도를 요구하는 전투기들은 날개 모양을 후퇴익으로 제작한다. 일반적으로 전투기는 고속 비행을 위해 엔진 출력을 크게하고 운항 속도를 높여 후퇴익에 의해 발생하는 양력 손실을 줄인다. 즉, 직선익을 채택하는 것 보다 전투기는 후퇴익을 통해 공기의 저항을 줄여 고속으로 비행함으로써 비행에 필요한 충분한 양력을 확보하는 것이다.

날개의 두께와 양력의 관계

비행기 날개의 두께도 양력과 관련이 있다. 날개의 두께를 두껍게 제작할 때에는 날개 윗면을 볼록하게 하고 아랫면을 평평하게 만든다. 왜냐하면 날개 윗면이 볼록해질수록 날개 윗면과 아랫면을 흐르는 기류의 속도와 압력 차이가 커져 더 많은 양력이 발생하기 때문이다. 하지만 초음속 비행기나 전투기는 고속 비행시에 발생하는 항력을 줄이기 위해 비교적 얇은 날개를 사용한다.