우리들은 달리고 있는 자동차 밖으로 손바닥을 펼쳐 내놓으면 손바닥은 바람을 향하여 눕힘에 따라 손에 닿는 바람(공기)의 힘은 손을 위로 끌어 올리듯 하는 것을 느낄 수 있을 것이다. 익형(이 경우 사람의 손바닥)은 바람(기류)의 방향을 변하게 하며 동시에 익형의 하면에 그 크기와 같은 반대 방향에 동압을 만들어내 그 힘에 의해 익형은 후상방을 향하여 힘을 받게 된다. 이 힘의 위로 향하려는 성질이 양력이며 뒤로 향하려는 성질을 항력이라고 한다.
(1) 양력의 발생
비행기 날개에서 비행기의 무게를 감당하는 양력이 어떻게 발생되는 가를 알아보기 위하여, 먼저 유체속에 원통이 놓여 있는 경우를 생각해 보자
(그림3-2a)에서와 같이 유선의 모양은 완전히 대층이므로 원통에는 아무런 힘도 작용하지 않는다. 이제 원통 주위에 시계 방향으로 순환하는 흐름을 겹쳐 놓으면 (그림3-2b)와 같이 A점에서는 원래의 흐름 속도에 순환 흐름으로 속도가 더해저 속도가 빨라지고, B점에서는 그 반대로 순환 흐름이 원래의 흐름을 방해하여 결국 속도가 줄어든다. 여기서 ‘베르누이의 정리’ 를 적용하면 순환 흐름이 겹치기 전에는 A점과 B점의 압력이 같았으나 순환 흐름이 겹치면 B점의 압력이 A점보다 높아지게 되고 이 압력 차이에 의해 밑에서 위로 힘이 발생한다. 만일 시계 반대방향으로 순환 흐름을 겹치게 하면 반대로 아래 방향으로 힘이 발생한다.
이 원리와 같이 날개가 공기의 흐름을 받으면 흐름은 날개의 앞전에서 상하로 갈라져서 날개 윗면의 유속은 에어 포일의 최대 두께 지점(공력중심선)까지 속도가 증가하여 공력 중심선에서 최대 유속을 나타내며, 날개 밑면에서는 날개 뒷전으로 갈수록 밑면의 곡율이 적어지게 되어 있으므로 유속은 날개 윗면의 유속보다 상대적으로 느려진다. 날개를 통과한 상·하의 두가지 흐름은 날개 뒷전에서 서로 만나서 원래의 흐름속도(비행기의 진행속도)로 되돌아 간다.(그림3-3a)
‘베르누이의 정리’ 에서 설명되어 있는 것과 같이, 흐름이 빠른 곳에서는 압력이 낫고, 흐름이 느린 곳에서는 압력이 높아진다.
따라서 날개 윗면의 압력은 날개 밑면에 비해서 낮으므로 이 압력차에 의하여 날개의 윗 방향으로 ‘공기력’이 발생한다 (그림3-3b) 이 공기력이 공기의 흐르는 방향(장대 기류)에 대하여 수직 성분을 ‘양력(lift)’이라고 하고, 수평 성분을 ‘항력(drag)'이라고 한다. 그리고 이 공기의 흐름방향과 날개의 중심선이 이루는 각도를 받음각 또는 영각(Angle of attack) 이라고 한다. (그림3-4)
(그림 3-2) 유체의 흐름
(그림 3-3) 유속과 압력의 관계
(그림 3-4) 공기의 흐름방향과 양력과 항력의 관계
(2) 베르누이의 정의(bernoulli‘s principle)
양력이 어떻게 만들어 지는가를 이해하기 위해 우리들은 오래전의 과학자인 베르누이에 의해 발견되어 후에 ‘베르누이 정리’라 불려지고 있는 현상을 살펴볼 필요가 있다. 그것은 ‘유체(액체 또는 기체)의 압력은 유체의 속도가 증가하는 곳에서는 압력이 감소한다’ 는 현상을 말한다. 즉 베르누이는 같은 유체(여기서 공기)에서는 고속으로 흐름은 저압이 되며 저속의 흐름은 고압이 된다는 것을 발견한 것이다. 이 정의는 단면적이 변하는 파이프 속을 흐르는 유체의 압력 변화를 알아내기 위한 실험에 처음으로 사용되었다. 점차 좁아저 가는 파이프의 경우 넓은 부분과 같은 양의 유체를 흘려 보내야 한다. 이 좁은 부분에서의 흐름은 고속으로 진행하며 저압이 된다(그림3-5). 익형 즉 비행기의 주익에 양력이 발생하는 것은 이러한 현상의 주요한 응용중의 하나이다. 익형은 그 상면에서 기류의 속도가 증가할 수 있도록 설계되어 있어 익형 상면에서는 압력이 감소되는 것이다. 동시에 익형 하면에 공기가 있어 하면의 압력이 증가한다. 익상면의 압력의 감소와 익하면의 압력 증가에 의해 양력이 발생하는 것이다.
(그림3-5) 벤추리효과 풍판에 작용하는 힘
(3) 벡터와 스칼라양
항공기 비행에 대한 연구는 두가지 형태의 벡터와 스칼라량을 이해함 으로서 좀 더 향상시킬 수 있다.
스칼라량이란 면적, 부피, 시간 그리고 질량과 같이 크기만 가지고 설명할 수 있는 것을 말하며,
벡터량은 반드시 크기와 방향으로 설명해야만 하는 것이다. 속도, 가속도, 중량, 양력 및 항력은 일반적인 벡터량이며 방향은 크기 또는 양만큼이나 중요하다. 모든 힘은 근원이 무엇이든 지간에 벡터다.
물체에 두개이상의 힘이 작용할 때는 힘의 종합은 벡터를 사용하여 표시한다. 벡터는 그래프상에서 끝이 화살표로된 직선으로 표시하며 화살표 방향이 곧 힘이 작용하는 방향이다. 주어진 눈금에서의 직선의 길이는 힘의 크기를 의미한다. 기준선을 선정해서 벡터를 그리며 크기는 편리한대로 눈금을 매겨 표시한다.
(4) 벡터의 문제해결
비행상태를 분석할때 각 힘의 벡터를 사용하며 공중에서는 항공기에 작용하는 여러 가지 분력(分力)의 합력 또는 복합 효과를 주로 다룬다. 합력 풀이 방법에는 평행 사변형 방법, 다각형 방법, 삼각형 방법의 세가지가 있다.
① 평행 사변형 방법: 2개의 벡터가 있으며 합력을 얻기 위해 벡터와 평행하게 직선을 그린다. (그림3-6)에서 2개의 예인선이 유람선을 같은 힘으로 밀때 예인선 방향의 중앙으로 움직이게 될 것이다. 이 방법이 항공역학에서 흔히 사용되는 방법이다.
(그림3-6) 평행사변형의 합력
(그림3-7) 다각형 합력
② 다각형 방법: 2개이상의 힘이 각각 다른 방향으로 작용할때 다각형 방법으로 합력을 구할 수 있다. (그림3-7)에서 90도 방향으로 180파운드로 작용하는 힘(가), 45도 방향으로 90파운드로 작용하는 힘(나), 315도 방향으로 120파운드로 작용하는 힘(다)가 있을 때 합력을 얻기 위해서는 벡터 “가”를 원점에 위치시키고 나머지 두 벡터를 잇따라 연결시킨 다음 원점에서 벡터 “다”의 끝부분에 직선을 그을 때 이 직선이 곧 합력이다
(그림 3-8) 백터 삼각형
③ 삼각형 방법: 벡터 삼각형은 2개의 벡터와 이들의 합력과 관계되는 독특한 형태의 다각형 법의 일종이다. 이 방법은 항법에 관한 벡터 문제를 해결할때 가장 보편적으로 사용한다. 벡터 삼각형을 만들려면 두개의 벡터를 그리고 이 두 벡터를 연결한 합력 벡터를 그린다. 이렇게 해서 편류와 대지속도를 계산할 수 있다. (그림3-8)에서 항공기가 기수방향 078도와 진대기 속도 100낫트로 비행하며, 바람이 북동쪽에서 30낫트로 불때 이것들을 벡터화하여 두 벡터를 연결한 합력을 얻음으로서 대지 속도를 결정할 수 있다.
N 기수방향과 진대기속도 078°/ 100낫트 045°/ 30낫트 합력 풍향과 풍속 090°/ 77낫트 실제항로와 지면속도 (그림3-8)벡터 삼각형
(5) 뉴톤의 3법칙(Newton′s third law)
뉴톤의 3가지 운동법칙은 관성의 법칙, 가속도의 법칙과 작용 반작용의 법칙이며 이들은 항공역학을 이해하는데 많은 도움이 된다.
① 제1법칙: 관성의 법칙: 물체는 계속 정지하며 움직이는 물체는 외부의 힘이 가해질 때까지 같은 방향, 같은 속도를 유지하려는 상태를 말한다.
즉. 외부의 힘을 가하지 않고는 정지된 물체를 움직이거나 움직이는 물체를 정지시킬 수 없다. 따라서 물체가 이러한 변화에 저항하는 힘을 관성이라 한다.
② 제2법칙: 가속도의 법칙: 물체를 움직이는데 필요한 힘은 물체의 질량과 속도 변화율에 정비례함을 말한다.
가속은 속도의 증가 또는 감속를 의미하기도 하나 감속은 통상 속도의 감소만을 의미한다.
③ 제3법칙: 작용과 반작용의 법칙: 모든 운동은 운동량이 같으면서 방향이 반대인 반작용을 수반하는 것이다.
두 물체사이에 힘이 작용한다면 상반된 방향으로 똑같은 힘이 물체간에 작용한다.
(6) 영각과 양력과의 관계
전술한 바와 같이 영각이란 상대 기류와 주익의 익현선과의 사이에 이루어 지는 작은 각도를 말하는 것이다. 영각 0도의 상태에서는 주익 하면의 압력은 대기압과 같다. 이 경우 모든 양력을 주익 상면의 압력의 감소(대기압보다 낮은)에 의해 발생한다. 영각이 적은 상태에서는 주익 하면에 부딪히는 공기의 충격이나 압력(대기압보다 높은)의 영향은 거의 무시할 수 있으므로 양력의 대부분은 주익 상면의 압력 감소에 의해 발생한다. 영각이 증가함에 따라 주익 하면의 공기의 충격이나 정(正)압이 증가한다. 또 주익 상면에서도 공기가 주익의 커브를 따라 흐르고 있는 한 익형의 유효 만곡도가 증가하여 익상면의 기류는 보다 긴 거리를 흘러야 하므로 상면의 압력은 감소돼 간다. 이것은 베르누이 정의에 의해 보다 긴 거리를 흐르기 위해서는 보다 빨리 흘러야 하므로 보다 큰 압력감소 현상이 발생하기 때문이다. 주익 하면의 압력 증가와 주익 상면의 압력 감소와의 두가지 이유로 주익의 상면과 하면에서 큰 압력 차이가 발생한다. 이와 같은 큰 압력 차이에 의해 커다란 위로 향하려는 힘 즉 양력이 발생하는 것이다. 동시에 이것은 보다 큰 항력을 발생한다. 영각이 약 18도에서 20도까지 증가하면 대부분의 익형의 익상면에서는 공기가 유연하게 흐를 수 없게 된다. 이것은 흐름의 방향에 과도한 변화를 필요로 하기 때문이다. 기류는 주익 상면의 캠버(camber; 위로 튀어 오른 부분) 최대 위치 근처에서 이탈하여 곧바로 후방으로 흐른다. 그리하여 기류가 날개표면에 따라 흐르려고 하면 소용돌이나 기포(氣泡)가 발생된다. (그림3-9) 이와 같은 기류의 기포가 발생하기 시작하는 특정의 영각을 실속각(失速角)이라고 한다. 영각이 적은 동안에는 주익 후연 근처에서 볼 수 있는 기류의 소용돌이가 이 각도에서 갑자기 익상면 전체에 퍼진다. 그러므로 익상면의 압력이 갑자기 증가하여 한 순간에 양력이 격감되고 저항(항력)이 급증한다.
(그림3-9)각 영각에서의 익상면의 와류의 상태
(7) 추력과 항력과의 관계
비행기가 가속이나 감속을 하지 않은 일정한 비행 속도를 갖고 있는 상태에서는 추력과 항력의 크기가 같다. 프로펠러의 추력이 증가하면 추력이 일시적으로 항력보다 크게 되어 비행기는 속도가 증가한다. 즉 가속하게 되는 것이다. 그러나 비행 속도의 증가는 동시에 항력의 증가를 일으킨다. 이러한 상태에서 추력과 항력은 또다시 같게 되며 속도 또한 일정하게 된다. 어느 시점에서 추력의 크기가 최대로 되며 비행 속도는 추력과 항력이 같아지며 일정 속도에 달할 때까지 증가한다. 즉 비행속도의 제곱에 비례하여 증가한다. 만약 비행속도가 2배가 되면 항력은 4배가 된다.
(8) 양력과 중력과의 관계
주익에서 상방향으로 작용하는 힘. 즉 양력은 상대 기류와 수직 방향으로 작용한다. 양력은 비행기의 중량과 상관 관계를 가지고 있다. 양력이 비행기의 중량과 균형을 이루고 있을 때 비행기는 상승도 하강도 하지 않는다. 만약 양력이 비행기의 중량보다 적으면 비행기는 강하하며 양력이 비행기의 중량보다 크면 비행기는 상승한다.
(9) 양력과 항력에 관계되는 요소
여러 가지 요소가 양력과 항력에 영향을 준다. 즉 주익 면적 익형 영각 및 주익 위를 흐르는 공기의 속도(대기속도) 및 주익면을 흐르는 공기의 밀도 등이 영향을 준다. 이들 중 어느 하나라도 변화를 일으키면 양력과 항력의 크기나 양력과 항력의 관계에 영향을 준다. 양력을 증가시키는 요소는 또한 항력도 증가시킨다.
(10) 주익면적이 양력과 항력에 미치는 영향
주익에 작용하는 양력과 항력의 크기는 대개 주익 면적과 비례한다. 즉 주익 면적을 2배로 하고 다른 요소는 그대로 했을 때 주익에 의해 만들어지는 양력과 항력의 크기는 2배가 된다. 조종사가 익면적을 변하게 할 수 있는 유일한 방법은 어떤 종류의 플랩(flap), 예를 들면 파울러 플랩(fowler flap)을 사용하는 것이다. 이 플랩은 아래로 내려감과 동시에 후방으로 빼어내며 연장시켜 익면적을 크게 해주는 것이다.
(11) 익형이 양력과 항력에 미치는 영향
익단면의 위쪽 커브 또는 캠버(camber)가 커지면(어느 정도까지) 날개에 의해 만들어 지는 양력은 증가한다. 큰 양력을 발생하는 날개는 상면의 커브가 크며 하면은 오목형의 단면을 하고 있다. 플랩은 통상 익형의 상부 커브 또는 캠버를 크게 하고 하면을 오목형으로 하여 날개의 양력을 증가 시킨다(그림3-10) 보조익이 아래로 내려져 있을 때에도 주익 일부의 커브를 크게하여 이와 같은 상태를 만들어 낸다. 물론 이때에도 항력은 증가한다.
보조익이 올려져 있을 때에는 주익 일부분의 커브를 적게 하여 양력을 감소시킨다. 승강타는 수평 미익의 커브를 조정하여 양력의 크기를 변화시킬 수 있다. 방향타도 수직 미익과 같은 작용을 하게 할 수 있다. 만약 익면에 빙착현상이 발생하면 일형은 변화한다. 많은 사람들이 고고도 에서나 한냉시에 비행기의 주익에 빙착하는 얼음의 무게로 인하여 이러한 현상이 발생하면 대단히 위험한 것으로 생각하고 있다. 그러나 빙착 현상으로 인해 증가하는 중량은 빙착의 위험을 일으키는 일부일 뿐이다. 특히 날개의 전면에 빙착이 발생하면 기류는 익면으로 부터 이탈해 버리며 얼음이 날개의 캠버를 변화시켜 비행기에 최대효율(최대의 양항비)을 부여하게끔 설계된 익형의 효력에 손상을 가져온다. 날개에 극히 적은 서리가 서려 있는 것 만으로도 비행기가 이륙을 할 수 없게 되는 경우가 있다. 익상면에 공기의 원활한 흐름이 방해를 받아 양력을 발생하게 하는 능력을 잃고 만다. 그리하여 이륙하기 전에 비행기 표면의 서리, 눈 또는 얼음을 제거하는 것은 대단히 중요한 것이다.
(그림 3-10) 플랩을 사용하면 양력과 항력을 증가 시킨다.
(12) 영각이 양력과 항력에 미치는 영향
영각이 양력에 미치는 영향에 대해서는 이미 전술한 바있다. 영각이 증가함에 따라 양력과 항력은 어느 정도 증가한다.
(그림3-11) 영각의 증가에 따라 양력과 항력은 증가한다.
(13) 대기속도가 양력과 항력에 미치는 영향
익면을 흐르는 기류의 속도(대기 속도)가 증가하면 양력 및 항력도 증가한다. 그 양력이 증가하는 이유는 다음과 같다.
①익 하면에 부딪치는 상대 기류의 속도의 증가는 보다 높고 큰 정(正)압력을 만들어 낸다.
②익 상면에서의 상대 기류의 속도 증가는 그 부분의 압력 저하를 의미 한다(베르누이 정의)
③그리고 익 하면의 보다 큰 압력차가 발생한다. 양력을 증가시키는 여하한 변화도 반드시 항력을 증가시키므로 이로 인하여 항력이 증가된다.
실험결과 양력과 항력은 속도의 제곱에 비례하여 변하는 것이 판명되었다. 익면을 흐르는 기류의 속도는 비행기의 대기속도에 의해 정해진다. 이것은 만약 비행기가 속도를 2배로 비행하면 양력과 항력 및 영각이 변화하지 않는다고 가정해도 4배가 되는 것을 의미한다.
(14) 공기 밀도가 양력과 항력에 미치는 영향
양력과 항력은 공기밀도에 비례하여 변한다. 공기 밀도가 증가하면 양력과 항력은 증가하며 공기 밀도가 감소하면 양력과 항력도 감소한다. 공기 밀도는 여러 가지 요소로 변한다.
즉 압력, 온도 및 습도 등이다. 고도 1만8천피트(5천4백미터)에서의 공기 밀도는 해면 고도의 공기 밀도의 절반이다. 그리하여 만약 비행기가 같은 양력을 유지하기 위해서는 해면 고도보다 대기 속도를 증가시키거나 영각을 증가시키든가 하여야 한다. 그러므로써 고 고도 에서는 저 고도 비행시와 비교하여 보다 긴 이륙 거리를 필요로 하게 되는 것이다.
(그림3-12) 공기는 가열하면 팽창하므로 따뜻한 공기는 찬 공기에 비해 밀도가 낮다. 그리하여 다른 조건이 동일한 환경에서 비행기는 더운 여름철에는 추운 겨울철에 비해 보다 긴 이륙 거리를 필요로 한다.
(그림3-12) 수증기는 동일 체적의 건조한 공기 보다 가벼우므로 습한 공기(고습도)는 건조한 공기(저습도)보다 밀도가 낮다. 그러므로 다른 조건이 동일한 환경 및 경우이면 비행기는 습도가 높은 날에는 습도가 낮은 날에 비해 보다 긴 이륙거리를 필요로 한다.
(그림3-12) 이러한 현상은 특히 덮고 습도가 높은 날에는 현저히 나타난다. 그 이유는 그와 같은 상태에서는 공기는 신선한 날에 비해 대단히 많은 수증기를 갖고 있기 때문이다.
습도가 높을 수록 공기 밀도가 낮다. 밀도가 낮은 공기는 양력의 감소 외에도 여러 가지 불리한 조건을 만들어 준다. 우선 엔진의 출력이 저하되며 또한 프로펠러의 효율도 저하된다. 그 이유는 출력을 저하시키면 프로펠러의 블레이드(blade)도 날개와 같으므로 밀도가 낮은 공기에서는 그 효율이 저하되기 때문이다. 이와 같이 프로펠러가 최대의 힘을 발휘하지 못하므로 필요한 양력을 만들어 내기 위해서는 그에 필요한 전진속도를 얻기 위해 다시 긴 활주 거리를 필요로 하게 되는 것이다. 그리하여 조종사는 고 고도 고온 및 고습도의 조건하에서는 주의하여야 한다. 즉 고 고도, 고온 및 고 습도 이들 세가지 조건의 경우와 더불어 활주로가 짧은 경우에는 대단히 큰 위험을 동반하게 된다.
