[항공역학] 양력의 원리, 항공기 날 수 있는 이유는?

■ 베르누이 방정식

유체 동역학에서 점성과 압축성이 없는 이상적인 유체가 규칙적으로 흐르는 경우에 대해 유체의 속도와 압력, 위치 에너지 사이의 관계를 나타낸 공식이다.
출처 : 위키백과

 

베르누이 방정식은 유선을 따라 흐르는 유체에 대하여 성립하는 방정식을 말한다.

 

 

$ p_{1}+\frac{1}{2}\rho v_{1}^{2}+\rho gh_{1}=p_{2}+\frac{1}{2}\rho v_{2}^{2}+\rho gh_{2}=const$

 

베르누이 방정식은 비압축성 유체, 다시 말해 압력이 달라져도 밀도가 변하지 않는 유체의 흐름에 대해 성립한다. 액체는 대부분 압력이 증가해도 밀도가 거의 변하지 않으므로 비압축성 유체에 가깝다. 하지만 기체의 경우 유동 속도가 작아서 밀도 변화가 무시할 수 있을 정도로 작은 경우에 성립한다.

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베르누이 방정식은 단위 질량의 유체 전체 에너지가 유선을 따라 보존된다는 의미를 담은 에너지 보존 법칙이다. 위치 에너지를 무시할 수 있는 경우 다음과 같이 표현한다.

 

$ p_{1}+\frac{1}{2}\rho v_{1}^{2}=p_{2}+\frac{1}{2}\rho v_{2}^{2}+=const$

 

즉, 속도가 빨라지면 압력이 작아지고 속도가 느려지면 압력은 커진다.

 

■ 양력의 원리

양력이 발생하는 이유는 뉴턴의 운동법칙으로 설명이 가능하다.

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양력 발생에 있어서 에어포일의 형태만은 아니다. 또 다른 변수는 에어포일의 받음각이다. 받음각이 양(+)일 때, 에어포일 주변을 지나는공기의 흐름은 밑의 그림과 같다. 공기는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르고 있다. 공기의 흐름을 잘 살펴보면 에어포일의 표면과 부딪혀 공기의 흐름방향이 조금씩 아래로 바뀌고 있다. 즉 유체의 속도(크기, 방향)가 변하고 있는 것이다.

 

출처 : 네이버 지식백

유체의 속도가 변하는 것은 가속된다는 사실을 의미하고, 뉴턴 운동 제2법칙(F=ma)에 따라 에어포일로부터 힘을 받는 것을 의미한다. 그리고 뉴턴 운동 제3법칙(작용/반작용 법칙)을 적용하면 에어포일로부터 힘을 받는 유체는 에어포일에 반작용을 미치게 된다.

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즉, 유체가 아래쪽으로 가속하면서 에어포일은 위쪽으로 반작용을 받아 양력이 발생하는 것이다.

 

■ 양력

• 유체 속을 진행하는 물체에서 진행방향의 수직방향으로 받는 힘
• 항공기 진행방향에 대해 수직으로 작용하는 힘
• 항공기를 부양시키는 힘
• 날개단면의 위아래면에 작용하는 공기압력차이에 의해 날개를 위로 들어올리는 힘