본문내용
1. 항공기의 양력 발생 원리
1.1. 베르누이 원리와 압력 차이
수도관의 끝 부분을 좁게 해주면 갑자기 수돗물이 빨리 분출되는 것을 볼 수 있다. 이는 유체의 압력이 감소하면 유체의 속도가 증가한다는 것을 보여주는 것이다. 이는 일정한 속도로 흐르고 있는 유체의 에너지가 보존된다는 원리에서 출발한다. 따라서 유체의 속도가 증가하면 압력이 감소하는 것이고, 유체의 속도가 감소하면 압력이 증가하게 되는 것이다. 이것을 베르누이 원리라고 한다.
베르누이 원리가 성립하기 위해서는 몇 가지 전제가 만족되어야 한다. 첫째, 유선을 따르는 비점성 흐름이어야 한다. 둘째, 정상 상태의 흐름이어야 한다. 셋째, 마찰이 없는 흐름이어야 한다. 넷째, 비압축성 유체의 흐름이어야 한다.
질량을 가진 모든 물체는 동압, 정압, 전압 등 3가지의 에너지를 갖는다. 동압은 유체의 속도에 따라 변하는 운동에너지이고, 정압은 운동 상태에 관계없이 항상 모든 방향으로 일정하게 작용하는 유체의 압력이다. 전압은 유체의 작용하는 에너지의 합으로 동압과 정압의 합이다. 베르누이 원리에 따르면 전압은 항상 일정하며, 동압이 증가하면 정압은 감소하고, 동압이 감소하면 정압은 증가한다.
위의 원리를 바탕으로 항공기 날개 주변의 공기 흐름을 설명할 수 있다. 항공기 날개 윗면을 흐르는 공기의 속도가 아랫면을 흐르는 공기보다 빠르다. 따라서 베르누이 원리에 따라 날개 윗면의 압력이 아랫면보다 낮아지게 된다. 이러한 압력 차이로 인해 날개에 작용하는 양력이 발생하게 되는 것이다.
1.2. 날개 윗면과 아랫면의 공기 흐름 차이
날개 윗면과 아랫면의 공기 흐름 차이는 양력 발생의 근본적인 원인이다. 항공기가 앞으로 나아갈 때 날개 윗면과 아랫면에 작용하는 공기의 흐름이 다르게 나타난다.
날개 윗면을 타고 흐르는 공기는 날개 아랫면을 타고 흐르는 공기보다 더 긴 거리를 이동하게 된다. 베르누이 원리에 따르면 유체의 속도가 빠를수록 압력이 낮아지므로, 날개 윗면을 따라 흐르는 공기의 속도가 더 빨라지게 된다. 따라서 날개 윗면의 압력은 낮아지고 날개 아랫면의 압력은 높아지게 된다. 이러한 압력 차이로 인해 날개에 수직 방향의 힘, 즉 양력이 발생하게 된다.
이처럼 날개 윗면과 아랫면의 공기 흐름 차이가 양력 발생의 근본적인 원인이 되며, 이는 베르누이 원리와 직결된다. 날개를 통과하는 공기의 속도 차이로 인한 압력 차이가 날개에 양력을 발생시키는 것이다.
1.3. 받음각과 양력 발생
받음각과 양력 발생은 항공기의 양력 발생 원리 중 매우 중요한 부분이다. 항공기 날개의 받음각은 날개에 불어오는 상대풍과 날개 시위선이 이루는 각도를 말한다. 받음각이 증가할수록 날개 윗면과 아랫면의 공기 속도 차가 커져 압력차가 증가하여 양력이 늘어난다.
비행기가 수평으로 날아가다가 조종사가 조종간을 당기면 기수가 들리면서 받음각이 증가한다. 이에 따라 날개 윗면의 공기 속도가 빨라지고 아랫면의 공기 속도가 느려지면서 날개 아랫면과 윗면의 압력차가 커지게 된다. 이러한 압력차에 의해 양력이 발생하여 비행기가 상승하게 된다.
반대로 조종간을 밀면 받음각이 감소하여 날개 윗면과 아랫면의 공기 속도 차이가 줄어들어 양력이 감소하게 된다. 이에 따라 비행기는 하강하게 된다.
받음각이 너무 크면 날개 윗면의 공기 흐름이 분리되어 양력이 크게 감소하는 실속 현상이 발생한다. 실속 상태에서는 양력이 크게 감소하므로 안전한 비행을 위해서는 실속 속도 이상으로 충분한 속도를 유지해야 한다.
따라서 받음각의 조절은 항공기의 상승, 하강, 정상 비행 등을 가능하게 하는 핵심적인 요소이며, 적절한 받음각 유지가 항공기 양력 발생의 핵심이라 할 수 있다.
1.4. 뉴턴의 제 2법칙과 추력의 역할
뉴턴의 제 2법칙과 추력의 역할은 항공기의 양력 발생에 중요한 영향을 미친다. 뉴턴의 제 2법칙에 따르면 힘은 물체의 운동 상태 또는 모양을 변화시키는 원인이며, 가속도는 속력의 변화를 의미한다. 즉, 힘이 클수록 물체는 더 큰 가속도로 움직이게 된다.
항공기에 장착된 엔진에서 발생하는 추력은 앞으로 나아가는 힘으로 작용한다. 추력이 항공기의 항력보다 크게 되면 힘은 비행기의 진행 방향으로 작용하게 되고, 이에 따라 가속도의 법칙에 의해 비행기의 속도가 계속해서 증가하게 된다. 추력의 증가는 곧 양력의 증가로 이어진다.
비행기가 일정한 속도로 비행하기 위해서는 추력과 항력이 균형을 이루어야 한다. 즉, 추력이 증가하면 양력도 같이 증가하지만, 속도가 올라감에 따라 유해항력 또한 증가하기 때문에 어느 정도 속도가 증가하면 추력과 항력이 같아지게 되어 등속 직진 운동을 하게 된다.
따라서 엔진에서 발생하는 추력은 항공기의 양력 발생에 직접적인 영향을 미치며, 뉴턴의 제 2법칙에 따라 추력의 증가는 가속도의 증가를 야기하...
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