금속합금으로 만들어진 어마어마하게 거대한 비행기들이 날아오르는 모습을 볼 때마다 항상 놀랍고 신기하고 재밌습니다. 유튜브에 올라오는 비행기 이륙/ 착륙 영상들이 조회 수가 엄청 높은데 저도 보면 넋 놓고 계속 보게 되네요.
이렇게 거대한 물체가 날아오르는데 필요한 힘은 비행기 날개에 생기는 양력이라고 모두들 알고 계실 텐데, 놀랍게도 지금까지 알려졌던 비행기의 양력을 설명하는 방식이 틀렸습니다.
대체 정확히 어떻게 비행기가 날아오르는 건지 알아보도록 하겠습니다.
우선 잘못 알려진, 틀려버린 비행기 양력 이론을 보겠습니다.
아마 기존 이론을 들어보신 분들은 ‘동시 통과’이론이라고 들어 보셨을 겁니다.
이 이론은 비행기 날개를 단면으로 옆에서 보면 이렇게 곡면으로 되어 있는데 날개 위쪽으로 지나가는 공기 분자와 아래쪽을 지나가는 공기 분자가 날개 끝에 동시에 도달한다는 이론입니다.
날개 위쪽이 아래쪽보다 더 굴곡져서 길이가 더 길죠? 그렇다면 공기 분자가 아래쪽보다 더 빨리 이동해야 끝에 가서 동시에 만나겠죠? 그래서 날개 위와 아래에 기압 차이로 비행기가 날아오른다는 이론입니다. (유체의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고 속도가 느려지면 압력이 높아진다는 베르누이 방정식이 적용됨.)
그런데 실제로 정확히 실험을 해보니 기존 이론 일부분이 틀렸던 것입니다.
실험 결과, 날개 위쪽을 지나는 공기 분자는 아래쪽 보다 빨리 이동하는 것은 맞지만, 날개 끝에 가서 아래쪽 공기 분자와 동시에 만나지 않습니다.
그럼 비행기 날개에서 정확히 어떤 일이 일어나는지 보겠습니다.
비행기가 활주로를 달리면서 주변 공기들이 날개를 스쳐 지나갑니다. 이때 공기 분자들이 날개 표면에 붙으면서 얇은 공기층을 만들고 이 공기층이 주변 공기를 끌어당기는 역할을 합니다. 이어서 날개 앞쪽에서 공기가 분리되는데 곡면이 큰, 날개 위로 지나가는 공기 층에서 구심 가속도라는 것이 발생합니다.
마치 자동차가 달리다가 갑자기 핸들을 돌렸을 때 쏠리는 것, 팔을 원형으로 휙휙 돌릴 때 느껴지는 것과 같습니다. 이 구심 가속도가 생김으로써 날개 위쪽의 공기 흐름이 아래쪽 보다 빨라지게 됩니다. 그리고 비행기가 속도를 높이면 높일수록 구심 가속도는 더 강해져서 공기 흐름 속도도 빨라집니다. 반대로 날개 아래쪽은 곡면이 비교적 없기 때문에 공기 흐름 속도는 느립니다.
결국 베르누이 방정식과 나비에-스토크스 방정식에 따라 날개 위쪽의 기압이 낮아져서 날개가 위로 들어올려지게 됩니다. 이 힘이 바로 양력이죠. (곡률이 크다고 더 양력이 커지고 하는 것은 아님)
그런데 이 수정된 이론은 사실 비행기가 날아오르는 여러 가지 요소 중에 하나입니다.날개 양쪽 끝에서 생기는 와류, 비행기 날개 구조물인 플랩과 스포일러 움직임에 따른 작용반작용 상승력 등 여러 요소들이 영향을 끼칩니다.
결론적으로, 기압차 때문에 양력이 발생한다는 것은 맞지만, 비행기가 날아오르는 양력에 대한 논란은 항상 끊이지 않는 것 같습니다.
이상 과학 커뮤니케이터 지식인미나니였습니다.
