보통 양력을 이해할땐 두가지 방법을 혼합하여 이해합니다. Bernoulli’s equation과 Newton law를 이용해서말이지요.
Bernoulli부터 차근차근 알아보도록 합시다.
기계나 항공나오신분들은 여자친구 남자친구이름 다음으로 대학 4년동안 입에 많이 달고 살았을겁니다,Bernoulli. 우리의 친구, 위키에 따르면
유체 동역학에서 베르누이 방정식(Bernoulli'sequation)은 이상 유체(ideal fluid)에대하여,유체에가해지는일이없는경우에대해,유체의 속도와 압력, 위치 에너지 사이의관계를나타낸식이다. 또한 다음과 같은 가정을 만족시켜야한다.
· 유체는 비압축성이어야 한다. 압력이 변하는 경우에도 밀도는 변하지 않아야 한다.
· 유선이 경계층(boundary layer)을 통과하여서는 안 된다.
· 점성력(viscousforce)이 존재하지 않아야 한다.
· 시간에 대한 변화가 없어야 한다(정상상태, steady state)
위와 같은 파이프가 있다고 합시다.입구와 출구에서의 압력과 속도 그리고 위치에너지를 P1,V1, ρgh1 그리고 P2,V2, ρgh2라 칭하고 위에서 설명된 가정들을 모두 만족시키면, 두 점(입구와 출구)에서 다음과 같은 방정식이 성립됩니다.
여기서 중요하게 알아볼점은, 압력이 올라가면 유체의 속력은 내려간고 압력이 내려가면 유체의 속력이 올라간다입니다.
비행기의 날개 익형에대해 알아본걸 다시 떠올려 보죠. 대부분의 비행기들은 캠버를 갖고 있습니다. 윗면은 볼록하고 아랫면 평평하거나 위로 들어가있죠.
(참고http://www.todayhumor.co.kr/board/view.php?table=humorbest&no=1184032&s_no=1184032&page=3)
비행기 날개 앞으로 빠른 유체가 갈라질때 위로 가버린 공기는 더 긴 루트를 가기때문에 좀더 빠른 속도를 내야 아래로 가버린 공기와 같은시간안에 만난다는 “원리” 입니다. 그렇기 때문에 아랫면은 상대적으로 높은압력을 갖어 낮은 앞력을 갖은 윗면으로 양력을 생성시킨다는 것입니다.
하지만! 이것은 오류입니다.
쉽게 말해,틀렸습니다, 틀렸습니다, 틀렸습니다.
흔히 긴 경로 이론 또는 동시 통과이론으로 불리는 이것은 아마 대부분의 학생들이 잘못알고있는 양력 발생이론일 것입니다. 이 이론이 오류라는것은 윈드터널실험으로 판별되었습니다.
(https://dmiessler.cachefly.net/images/Karman_trefftz.gif)
일정속도로 파라핀을 섞은 유체를 윈드터널에 유입시켜 레이져를 쏘아 흐르는 유체를 추적하였더니 그림과같이 위와 아래로 갈라진 유체는 같은시간에 에어포일 꼬리에서 만나지 않았습니다. 이로써 Bernoulli원리는 틀렸다고 증명이 되었네요. (수정/ Bernoulli 원리는 맞습니다, 하지만 Bernoulli를 이용한 긴 경로 이론은 틀렸습니다. 또한, 압력으로 인하여 어느정도의 양력은 발생합니다.)
그렇다면, 무엇이 양력을 발생시킬까요?
실제로 하는에서 순항중인 비행기들은 상승상태가 아닌데도 날개의 에어포일,익형이 어느정도의 받음각이 있습니다. 비행기 동체가 수평을 이룰때의 받음각을 우리는 angle of inclined라 부릅니다.
비행기는 이륙때부터 이륙하기전까지는 항상 받음각이 존재한다는걸 보여줍니다. 유체는 이렇게 받음각이 있는 에어포익의 표면과 부딪혀 유체의 흐름방향이 아래쪽으로 바꿉니다. (아래 그림참조)
유체의 속력과 방향이 변하고있는것을 볼수있습니다. 이것은 유체의 속도가 변한다는것을 보여주고 뉴턴의 가속도법칙에 따라 에어포일로부터 힘을 받는것을 의미합니다.유체의 방향이 아래쪽으로 바뀜에 따라 뉴턴의 제 3법칙인 작용 반작용법칙이 적용되어 반작용에 의해 에어포일이 위쪽으로 힘을받고 이것을 우리가 그토록 찾던 “양력”이 되시겠습니다.
쉽게 정리하면,양력은 에어포일 모양에 의해 흐름이 바뀐 유체의 반작용때문에 작용한다고 보시면 되겠습니다.
(참조https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/lift1.html)
아까 말씀드린 Bernoulli원리 외에도 몇가지 양력에 대한 틀린 정보들이 있습니다.
물수제비원리와 벤츄리원리입니다. 좀 더 자세히 보시고싶은분은 아래 링크를 참고하시길 바랍니다.
https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong1.html
https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong3.html
https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/wrong2.html
지금까지 비행기의 양력에대해 알아보았습니다. 귀한시간 내어주셔서 또 한번 감사드립니다!
다음편엔 비행기의 엔진으로 찾아뵙겠습니다!
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비행기에 대해 알아봅시다! [1탄]
http://www.todayhumor.co.kr/board/view.php?table=humorbest&no=1184032&s_no=1184032&page=3)
