비행기에 미치는 힘 - 1

 

<주제와 크게 관련없는 사진, 출처 모름...>

 

이번 글에서는 '비행기에 미치는 힘'에 대해서 알아보겠습니다.

 

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<사진출처: 뉴턴 인스티튜트 >

 

먼저 '힘(force)' 하면 '뉴턴의 운동법칙'을 짚고 넘어가지 않을 수 없습니다.

 

뉴턴의 운동법칙에는 총 3가지 법칙이 있는데요,

 

- 제 1 법칙, 관성의 법칙

- 제 2 법칙, 가속도의 법칙

- 제 3 법칙, 작용과 반작용의 법칙

 

입니다.

 

이 세가지 뉴턴의 운동법칙은 힘이 물체의 운동상태에 어떤영향을 미치는지 잘 설명하고 있습니다.

 

 

 

멈출 수가 없는 돌멩이의 관성(출처: 천재학습백과zum)

 

첫번째, 관성의 법칙의 특성으로 인해 물체는 힘을 받지않거나 외력의 영향이 모두 상쇄되면(알짜힘이'0'이면) 그 상태를 유지하는 성질이 있습니다. 이와같은 상태에서는 멈춰있는 물체는 계속 멈추어 있고 일정한 속도로 운동(등속운동)하는 물체는 계속 그 속도를 유지하는 운동을 하게되는 것이죠.

 

 

 

중력 VS 장력, 더 센 쪽으로 '가속도가 생긴다.

 

두번째, 가속도의 법칙의 특성으로 물체는 힘을 받거나 외력의 영향이 상쇄되지 않을때(알짜힘이'0'이 아니면)는 속도가 변하는 가속도 운동을 하게 됩니다. 따라서 정지해 있던 물체가 힘을 받으면 움직이기 시작함과 동시에 계속해서 속도는 증가할 것이며, 일정한 속도로 운동하던 물체가 힘을 받으면 가해지는 힘의 방향에 따라 힘의 방향과 운동방향이 같다면 속도는 증가할 것이고 다르다면 속도는 감소하거나 그 방향이 바뀔 것입니다.

 

 

 

로켓 추진체가 나아가는 힘(작용) = 바주카포가 밀리는 힘(반작용)

 

마지막으로 세번째, 작용과 반작용의 법칙은 물체가 힘이 받을때 항상 그 반대방향으로도 크기가 같은 힘이 작용하게되는 현상을 말합니다. 그래서 힘은 항상 쌍으로 작용하기 때문에 물체가 힘을 받아도 속도가 변하지만 반대로 다른 물체에 힘을 가해도 자신의 속도가 변할 수 있는 것입니다.

 

 

 

그럼 이제 대상을 물체에서 비행기로 바꾸어 봅시다.

 

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직진수평 비행 중 비행기에 미치는 힘

 

위 그림은 일정한 속력으로 직진수평 비행중인 비행기에 작용하는 힘들을 나타낸 그림입니다. 대표적으로 비행기에는 추력(Thrust), 항력(Drag), 중력(Weight), 양력(Lift), 이렇게 4 가지 힘이 작용하는데요, 비행기가 공중에서 등속직진 운동을 하기 위해서는, 제1법칙, 관성의 법칙에 따라 비행기에 미치는 모든 힘(알짜 힘)이'0'이 되도록 '힘의 평형'을 이루어야 합니다. 즉, 추력은 항력과 같아야 하고 양력은 중력(무게)과 같아야 되는 것이죠.

 

 

 

추력 > 항력; 속도의 증가

 

그런데 만약 여기서 추력이 항력보다 더 커지게 되면, 알짜힘은 비행기의 진행 방향쪽으로 작용하게 될것이고, 따라서 제2법칙 가속도의 법칙에 따라 비행기의 비행속도는 증가하게 될 것입니다.

 

 

속도의 제곱에 비례해서 커지는 유해항력

 

이 때 속도가 증가하면 유해항력이 증가하기 때문에 속도가 어느정도 증가하여 항력과 추력이 같아지면 다시 등속직진 운동을 하게 됩니다.

 

추력 = 항력; 등속도 운동

 

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이번에는 비행기가 일정한 속도로 직진상승 비행중일 때 이 4가지 힘들(추력, 항력, 양력, 중력)이 어떻게 비행기에 작용하는지 알아봅시다.

 

직진상승 비행 중 비행기에 미치는 힘

 

직진상승 비행도 사실 직진수평 비행과 마찬가지로 등속직진 운동입니다. 비행기가 상승중이므로 중력을 제외한 나머지 힘들이 삐딱하게 작용할 뿐 결국 모든힘의 합력(알짜 힘)이 0 라는 의미입니다. 다만 이렇게 수평비행에서 상승비행으로 전환하기 위해서는 위쪽으로 힘이 가해져야 합니다. 왜냐하면 이렇게 속도의 방향이 위쪽으로 바뀌려면 없던 속도의 수직성분이 생기는 가속도 운동이 필요하기 때문이죠.

 

그래서 양력을 증가시켜 힘의 평형을 깨고 전체 힘이 위로 작용하게 끔 만들어주어야 합니다.

 

상승자세가 만들어지는 과정, 최종적으로 힘의 평형을 되찾아야 한다

 

비행기가 양력을 증가시킬때는 크게 '속도'와 '받음각'을 이용합니다. 따라서 속도를 증가시키거나 받음각을 증가시키는 방법으로 양력을 중력보다 크게 만들어 주면 위 쪽으로 가속하게 되어 상승자세가 만들어집니다.

 

 

 

물론 이것도 실제로는 한 없이 위로 가속되는 것은 아닙니다. 가속도를 위로받아 속도의 수직성분이 증가하여 속도의 방향이 위쪽으로 올라갈 수록 위 그림에서 보여지듯이 중력의 일부(Rearward Component of weight)가 점점 더 많이 항력과 같은 방향으로 작용하게 되므로 결국 항력이 증가한 것과 마찬가지로 속도는 감소하고 이에따라 증가했던 양력이 다시 줄어들기 때문입니다.

 

 

설사 추력의 크기가 중력을 넘어서더라고 위로 한 없이 가속하는 것은 불가능합니다. 왜냐하면 속도가 증가하면 앞에서도 말했듯이 유해항력이 증가하기 때문입니다. 그리고 그 이전에 전투기들을 제외하고는 중력을 넘는 추력을 가진 비행기들을 거의 찾아볼 수 없습니다. 설령 전투기라 하더라도 고도가 올라갈수록 밀도고도가 증가하기 때문에 중력보다 큰 추력을 계속 유지하는 것은 불가능 합니다.

 

 

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이번에는 비행기에 작용하는 추력, 항력, 양력, 중력, 이렇게 4가지 힘들에 대해 하나씩 살펴보도록 합시다.

 

 

 

먼저, 추력(Thrust) 입니다.

 

 

 

추력은 말 그대로 비행기가 나아갈수 있게 만드는 힘 입니다. 대부분의 비행기들은 기본적으로 프로펠러 또는 터보제트 방식으로 추력을 얻습니다.

 

<프로펠러(Propeller, 왼쪽) 와 터보제트(Turbojet, 오른쪽)>

 

 

프로펠러와 터보제트가 추력을 얻는 기본 원리는 뉴턴 제3법칙 작용과 반작용의 법칙 입니다. 즉, 무언가 뒤로 밀어내는 힘을 작용하여 앞으로 나가는 힘을 얻는 방식 입니다. 힘을 구성하는 요소에는 '질량'과 '가속도'가 있는데요(F = ma), 프로펠러는 주로 많은 양의 공기덩어리, 즉 많은 '질량'을 밀어내어 추력을 얻는 반면에 터보제트는 주로 제트분사와 같이 밀어내는 공기의 속도를 높여, 즉 높은 '가속도'로 추력을 얻습니다.

 

 

 

프로펠러로 추력을 얻는 터보프롭 추진기관(출처: SAFRAN)

 

프로펠러의 경우에는 저속에서 효율이 좋지만 고속에서는 밀어낼수 있는 공기의 속도 한계때문에 밀어낸 공기의 속도와 비행속도 사이에 큰 차이가 없어 얻을 수 있는 가속도에 한계가 있고 따라서 추진효율이 떨어지게 됩니다.

 

 

 

빠른 제트분사로 추력을 얻는 터보제트 추진기관, 사진은 J85-5(출처: 미공군) 

 

반면 터보제트의 경우는 워낙 초 고속으로 공기를 밀어내기 때문에 고속에서도 안정적으로 추력을 유지할 수 있으나 밀어내는 공기의 운동 에너지 대부분이 사용되지 못하고 그대로 배출되어 애초에 추진효율 자체가 프로펠러에 비해 형편없이 떨어집니다.

 

 

그래서 현재의 고속비행기들은 프로펠러와 터보제트의 중간형인 '터보팬(Turbofan)'으로 추력을 얻습니다.

 

<터보팬(Turbofan)의 작동모습, 출처: Wikipedia>

 

 

터보팬은 앞 쪽 팬(Fan)이 프로펠러 와 비슷한 역할을 하여 추진효율을 높이고 뒷 쪽의 터보제트(Core)가 고속에서도 안정적인 추력을 받춰줍니다.

 

 

B-737: 민항제트기의 흔한 터보팬 기관(출처: Boeing)

F-16: 터보제트 기관 같지만 터포팬 기관이다(출처:WallpaperSafari)

 

참고로 민항제트기를 포함해서 전투기까지 지금은 모두 이러한 터보팬을 추진기관으로 채택하고 있습니다. 다만 우리나라에서 운용중인 'F-5'같은 옛 기종들은 아직까지 터보제트엔진을 사용하고 있습니다. 

 

아래영상은 터보팬 엔진을 그림으로 설명하고 있는 재미있는 영상입니다. 터보팬 엔진을 쉽게 이해하시는데 도움이 됩니다.

 

 

 

 

다음으로 중력(Weight)을 살펴보겠습니다.

 

 

 

중력(Gravity)은 질량을 가진 물체가 서로 당기는 힘을 말합니다.

 

 

(그림출처: 누리놀이)

 

여기서는 지구와 비행기간 당기는 힘이 되겠는데요, 이들의 질량이 커질수록 서로 당기는 힘도 커지게 됩니다. 하지만 지구의 질량은 항상 일정하기 때문에 결국 비행기의 질량에 따라 중력이 변하게 되는데요, 이렇게 물체의 질량에 따라 변하는 중력을, 우리가 잘 알고있는 표현으로 '무게(Weight)'라고 합니다.

 

이때 지구에서의 중력의 가속도는 항상 9.8m/s^2으로 일정하기 때문에 질량과 무게의 크기는 항상 정비례 합니다.

 

그리고 중력은 항상 물체(비행기)의 질량중심에 작용하는데요, 이 중심을 무게중심, 영어로는 Center of Gravity, CG 라고 표현하며 주로 아래와 같은 기호를 사용하여 나타냅니다.

 

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글의 분량이 많은 관계로 이렇게 우선은 추력과 중력까지만 살펴보았습니다.

 

나머지 양력과 항력에 대해서는 다음 글에서 이어 나가겠습니다.