하늘에 도전하다 — 무거운 비행기가 어떻게 하늘에 뜨는가
물리학 · 힘과 운동 · 항공우주공학
책 소개
한국항공대학교 항공운항학과 교수인 장조원이 복잡한 수식 없이 비행의 원리를 풀어내는 책입니다. 저자는 공군사관학교를 거쳐 항공우주공학으로 박사 학위를 받은 연구자로, 수백 톤짜리 비행기가 어떻게 하늘에 떠 있을 수 있는지를 일상의 언어로 설명합니다. 비행기 날개에 작용하는 힘, 골프공 표면에 파인 작은 홈이 비거리를 늘리는 까닭처럼, 공기와 물체 사이에 오가는 힘을 차근차근 짚어 갑니다. 항공우주공학을 처음 들여다보는 학생이 '무거운 비행기가 어떻게 뜨는가'라는 의문에서 탐구를 시작하기 좋은 책입니다.
책은 비행기를 띄우는 힘인 양력이 어디서 생기는지를 설명합니다. 저자는 비행기 날개가 지나갈 때 날개가 공기를 아래쪽으로 밀어내고, 그 대가로 공기가 날개를 위쪽으로 밀어 올린다는 점을 강조합니다.
날개의 단면이 위아래로 비대칭이고 약간 기울어져 있어서, 날개를 지나간 공기는 결국 아래로 휘어 내려갑니다. 저자는 이렇게 공기를 아래로 밀어낸 만큼 비행기가 위로 떠받쳐진다는 설명을 비행의 핵심으로 삼고, 추진력을 내는 엔진, 공기 저항인 항력까지 비행기에 작용하는 힘을 하나씩 풀어냅니다.
물리학에서는 힘이 언제나 두 물체 사이에서 짝을 이뤄 작용한다고 봅니다. 한 물체가 다른 물체에 힘을 가하면, 그 다른 물체도 똑같은 크기의 힘을 반대 방향으로 되돌려 줍니다.
이것이 작용 반작용 법칙입니다. 두 힘은 크기가 같고 방향이 반대이지만, 서로 다른 물체에 작용하기 때문에 상쇄되지 않습니다. 또한 물체에 작용하는 알짜힘이 0이 아니면 그 물체는 힘의 방향으로 가속되는데, 이때 가속도의 크기는 힘에 비례하고 질량에 반비례합니다(뉴턴 제2법칙, F=ma). 그래서 어떤 물체가 위로 떠 있으려면, 아래로 끌어내리는 중력을 이겨 낼 만큼 위로 떠받치는 힘이 있어야 합니다.
수백 톤짜리 비행기는 어떻게 아래로 끌어내리는 중력을 이기고 하늘에 떠 있을까요? 물리학에서 배우는 작용 반작용 법칙으로 그 출발점을 설명할 수 있습니다.
비행기가 떠 있으려면 무게만큼 위로 떠받치는 힘이 있어야 하는데, 이 힘이 바로 양력입니다. 날개는 단면이 위아래로 비대칭이고 살짝 기울어진 채 공기를 가르며 나아가서, 날개를 지나간 공기를 아래쪽으로 휘어 내려가게 합니다. 이렇게 날개가 공기를 아래로 밀어낸 힘(작용)에 대한 반작용으로, 공기가 날개를 위로 밀어 올리는 힘이 곧 양력입니다. 즉 비행기는 자기 아래의 공기를 끊임없이 밀어 내리면서, 그 반작용으로 떠받쳐지는 셈입니다.
같은 원리를 다른 각도에서 보면, 날개 위쪽으로 빠르게 흐르는 공기의 압력이 낮아져 위로 빨려 올라가는 힘이 생긴다는 베르누이 원리로도 설명되는데, 두 설명은 같은 현상을 다른 언어로 풀어낸 것입니다. 어느 쪽으로 보든, 날개가 공기를 아래로 밀어낸 만큼 비행기가 위로 떠받쳐진다는 인과는 변하지 않습니다.
비행기가 뜨는 일은 결국 날개가 공기와 주고받는 힘의 문제입니다. 날개가 공기 속을 빠르게 지나가면 공기는 날개 모양과 기울기를 따라 흐르다가 아래쪽으로 휘어 내려갑니다.
가만히 있던 공기를 아래로 밀어 내리려면 날개가 공기에 힘을 가해야 하고, 뉴턴 제3법칙에 따라 공기도 같은 크기의 힘으로 날개를 위로 밀어 올립니다. 이 위로 떠받치는 힘이 비행기의 무게보다 크거나 같아지는 순간 비행기는 떠오릅니다. 양력의 크기는 공기 속을 지나는 속도가 빠를수록, 날개를 기울인 각도(받음각)가 클수록 커지지만, 받음각을 너무 키우면 공기 흐름이 날개에서 떨어져 나가면서 양력이 갑자기 줄어드는 실속이 일어납니다.
그래서 비행기는 활주로에서 충분한 속도를 낸 뒤에야 이륙할 수 있고, 받음각도 일정 범위 안에서 조절해야 합니다. 같은 힘의 원리를 거꾸로 쓰면, 날개를 거꾸로 단 경주용 자동차가 차체를 땅으로 눌러 코너에서 미끄러지지 않게 하는 다운포스가 됩니다. 이 책에서 본 '공기를 아래로 밀어낸 만큼 떠받쳐진다'는 원리를 출발점 삼아, 종이비행기나 모형 날개의 받음각을 바꿔 가며 양력이 어떻게 달라지는지를 작용 반작용의 관점에서 탐구할 수 있습니다.