[항공역학] 양력의 원리(베르누이의 원리, 마그누스 효과, 뉴턴의 3운동법칙), 항력의 종류, 중력과 추력

베르누이의 원리란?

베르누이의 원리는 유체 역학의 중요한 원리로, 유체가 흐르는 과정에서 그 유체의 에너지가 일정하게 보존된다는 원리를 설명합니다. 이 원리는 18세기에 스위스의 수학자 베르누이에 의해 처음 제안되었습니다. 베르누이의 원리에 따르면, 유체의 흐름 속도가 빨라질수록 그 부분의 압력이 줄어들고, 반대로 유체의 흐름 속도가 느려질수록 그 부분의 압력이 증가합니다. 즉, 압력 에너지와 운동 에너지 사이에는 반비례 관계가 있다는 것입니다.

 

마그누스 효과란?

마그누스 효과는 회전하는 물체가 주변의 유체(대개 공기 혹은 물)에 영향을 미치면서 발생하는 현상을 말합니다. 이 효과는 1852년 독일의 물리학자 헤인리히 구스타프 마그누스가 먼저 발견하였습니다. 마그누스 효과의 기본 원리는 다음과 같습니다. 물체가 회전하면서 진행하는 경우, 물체의 회전 방향에 따라 유체는 물체 주변을 다르게 흐르게 됩니다. 물체가 회전하면서 물체의 한쪽 표면을 따라 유체의 속도가 증가하고, 반대편 표면을 따라 유체의 속도가 감소하게 됩니다. 이로 인해 물체의 한쪽에는 압력이 높아지고, 반대쪽에는 압력이 낮아지게 됩니다. 이 압력 차이로 인해 물체는 낮은 압력을 가진 쪽으로 힘을 받게 되며, 이를 '마그누스 효과'라고 합니다.

 

뉴턴의 제 3운동법칙이란?

뉴턴의 제3 운동법칙, 또는 작용과 반작용의 법칙은 과학자 이삭 뉴턴이 제안한 운동의 기본 원칙 중 하나입니다. 이 법칙은 "모든 작용에는 반대 방향으로 동등한 반작용이 있다"라는 내용을 담고 있습니다. 이 법칙에 따르면, 어떤 물체 A가 다른 물체 B에 힘을 가하면, 물체 B는 그와 동일한 크기의 힘을 반대 방향으로 물체 A에게 다시 가합니다. 이를 통해 우리는 로켓이 공중에 뜨는 원리를 이해할 수 있습니다. 로켓은 연료를 뒤로 분사하면서 앞으로 나아가는데, 이는 뉴턴의 제 3 운동법칙에 따라 연료가 분사되는 힘과 반대 방향으로 로켓이 받는 힘이 동일하기 때문입니다. 이 세 가지가 양력이 왜 발생되는지를 이해하기 위해 필요한 원리, 법칙입니다.

 

프로파일항력(형상항력)이란?

프로파일 항력, 또는 형상 항력은 물체가 유체(대개는 공기) 속을 움직일 때 그 형태나 구조 때문에 발생하는 저항력을 말합니다. 이는 물체가 유체와 상호작용하면서 발생하는 저항의 한 형태로, 비행기나 자동차와 같이 유체의 흐름에 노출되는 물체의 설계에서 중요한 역할을 합니다. 형상항력은 항공기가 움직이면 발생하는 항력으로 속도에 따라서 커지게 됩니다. 회전익 항공기의 모든 부분에서 발생되는 항력으로 대기속도의 제곱으로 비례하여 증가됩니다. 즉 대기속도가 2배가 된다면 형상항력은 4배가 되는 것입니다.

 

유도항력이란?

유도 항력은 주로 비행기나 드론 등의 날개에서 발생하는 항력의 한 형태로, 양력을 생성하는 과정에서 발생하는 부작용입니다. 이는 특히 날개의 끝에서 발생하는데, 여기서는 공기가 날개의 아래로부터 위로 향하려는 경향이 있어서 날개 끝에서 소용돌이(vortex)가 형성됩니다. 이 소용돌이(vortex)는 날개주위의 공기흐름을 아래로 당기게 되어서, 상대바람은 약간 아래쪽으로 기울어지게 되고 이 상대바람의 수직으로 발생되는 양력 또한 뒤쪽으로 기울어지게 됩니다. 이러한 항력을 '유도 항력'이라고 부릅니다. 유도 항력은 비행기의 속도가 느릴 때, 즉 이착륙이나 저속비행 중에 더욱 영향을 주는데, 이 때는 날개가 더 많은 리프트를 생성해야 하므로 소용돌이(vortex)도 더 강해지고, 따라서 유도 항력도 증가합니다. 이 유도항력은 속도가 늘어날수록 감소하게 되고 낮아질수록 증가하게 됩니다.

 

중력이란?

항공역학에서 '중력'은 비행체에 작용하는 가장 기본적인 힘 중 하나입니다. 중력은 지구의 질량에 의해 생성되는 힘으로, 모든 물체를 지구 중심으로 끌어당깁니다. 이 힘은 비행체가 공중에서 떨어지지 않게 하는 '양력'과 상호작용합니다. 비행기는 공중에 뜨기 위해선 중력을 이기는 만큼의 양력을 생성해야 합니다. 이를 위해, 비행기의 날개는 공기와의 상호작용을 통해 양력을 발생시키도록 설계됩니다. 날개의 형태와 공격각, 공기의 밀도와 속도 등에 따라 양력의 크기가 달라집니다. 비행 중에는 이 두 힘, 즉 양력과 중력이 균형을 이루어야 합니다. 양력이 중력보다 크면 비행기는 상승하고, 중력이 양력보다 크면 비행기는 하강합니다. 두 힘이 같으면 비행기는 같은 고도를 유지합니다. 회전익 항공기에서는 이것을 피치각으로 극복합니다.

 

추력이란?

항공역학에서 '추력'은 비행기를 앞으로 나아가게 하는 힘을 말합니다. 이 힘은 비행기의 엔진이나 프로펠러, 제트 엔진 등에서 발생하며, 비행기가 공기 중을 움직이고, 공기와 상호작용하는 데 필요한 에너지를 제공합니다. 추력은 항력, 즉 비행기가 앞으로 나아가는 방향과 반대로 작용하는 힘을 이기기 위한 힘입니다. 항력이 추력보다 클 경우 비행기는 속도를 잃어버리게 되며, 반대로 추력이 항력보다 클 경우 비행기는 가속하게 됩니다. 두 힘이 균형을 이룰 경우 비행기는 일정한 속도로 움직이게 됩니다. 추력의 크기는 엔진의 종류와 성능, 연료의 종류와 양, 고도와 공기 밀도 등 다양한 요인에 의해 결정됩니다.