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양력의 발생원리 과제물

2021학년도 1학기 과제물과 목 명과목교수명학 번성 명과 제 명양력(揚力, lift)의 발생원리평가점수제출날짜목차서론 (개념정리)1.양력의 정의본론 (양력의 발생원리)1.베르누이의 법칙(Bernoulli's principle)2.작용과 반작용의 법칙3.에어포일(Airfoil)결론1.결론2.교재, 참고 문헌 및 자료 출처서론양력의 정의양력이란 항공기를 공중에 띄우는 힘이다. 날개형 항공기나 날개가 있는 비행체에 작용하며, 보통 중력에 반대되는 윗방향으로 작용하는 총 공기 역학적인 힘에 있어 상대풍에 수직인 성분. 일반적으로 중력에 대하여 정반대로 작용하는 힘을 말한다.양력은 에어포일 위를 흐르는 공기 흐름에 의해 발생되는 항공역학적 힘이다. 유체 내에서 움직이는 날개에는 항력과 양력이 작용한다. 비행기의 엔진을 통해 공기를 밀어내어 추력을 생성하고, 항력은 이러한 운동에 저항하는 공기의 마찰력이다. 추력으로 인하여 비행기가 앞으로 나아가면 양력이 발생한다. 아래 그림과 같은 날개 단면을 익형(airfoil, 날개골)이라고 하는데, 이러한 비대칭 형태는 항력보다 훨씬 큰 양력을 발생시켜 비행기를 뜨게 하는 데 유리하다. 따라서 비행기의 속도를 높이기 위해서는 적절한 익형을 고안하는 것이 매우 중요하다.밀도 차이에 의하여 생기는 부력은 물체나 물체 주변에 있는 유체(물이나 공기 등)가 가만히 있어도 생기지만, 양력은 반드시 물체건 유체건 둘 중 하나가 움직여야 생긴다는 점이 다르다. 이 때문에 유체의 '흐름'에 대해 수직이란 단서를 달아둔다. 발생 원인은 유체의 흐름이 변화하면서 생기는 압력의 차이이다. 물체는 평상시에는 모든 방향에 대해서 일정한 압력을 받고 있다. 그러나 만약 한쪽 방향의 압력이 높아지거나, 반대로 압력이 낮아지면 결국 압력이 낮은 쪽 방향으로 밀리는 힘을 받게 된다. 새나 곤충, 비행기, 헬리콥터 등 공기 중에서 빠르게 날아다니는 것들의 대부분은 이 양력을 이용해 날고 있다본론베르누이의 법칙(Bernoulli's principle)베르누이의 체의 속도와 관련 짓는 수학적 표현을 유도하였다 여기서 양력발생의 원리를 설명하기전 공기의 흐름을 정상흐름, 유선을 따라 흐르는 층류흐름, 공기의 점성력이 영향을 미치지 않는 경계층 밖의 흐름이라고 가정한후 설명이 가능하다.양력은 대표적으로 압력의 차이로 설명할 수 있다. 흐르는 유체 속에 놓인 날개의 볼록한 윗 부분은 압력이 적고 오목한 아랫 부분은 압력이 커지는데, 이러한 압력차로 인해 윗 방향으로 힘을 받게 된다. 베르누이 방정식에 의하면베르누이 방정식은 압력, 단위 질량당 운동 에너지, 단위 질량당 위치에너지의 합은 유선 내의 모든 점에서 같다는 뜻이다. 정압(P)과 동안(1/2 로우(p) v의제곱)의 합은 전압(total pressure)인데 이말은 즉 공기의 흐름속도가 빨라지면 동압은 커지고 정압은 작아지며, 반대로 흐름속도가 느려지면 동압이 감소하고 정압은 커지지만 두 압력의 전압은 일정하기 때문에 따라서 속도가 다른 두 흐름에 대하여 전체 에너지 합계는 일정하여야 하므로, 속도가 높으면 압력이 낮고 속도가 낮으면 압력이 높다. 이때 날개의 윗부분은 아랫부분보다 공기가 빨리 통과하므로 압력이 낮아져 결과적으로 날개는 윗 방향으로 힘을 받게 된다.2.뉴턴의 운동법칙양력이 생기는 이유: 뉴턴의 운동법칙으로 설명된다.그러면 양력은 어떻게 발생하는가? 양력 발생에 있어서 중요한 것은 에어포일의 형태만이 아니다. 양력 발생에 있어서 중요한 또 다른 변수는 에어포일의 받음각이다. 실제로 하늘을 나는 비행기의 날개를 보면 날개의 앞면이 비행기의 진행방향에 대해서 약간 들려 있는 것을 볼 수 있는데, 이 각이 받음각이다. 받음각이 양(+)일 때 에어포일 주변을 지나는 공기의 흐름은 그림과 같다. 그림에서 공기는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르고 있다. 공기의 흐름을 잘 살펴보면 에어포일의 표면과 부딪혀 공기의 흐름 방향이 조금씩 아래쪽으로 바뀌고 있다. 즉 유체의 속도(방향과 크기)가 변하고 있다.유체의 속도가 변한다는 것은 유체가 가속된다는 사실을 의미하고, 이는 뉴는 에어포일에 반작용을 미치게 된다.그러면 에어포일의 윗면과 아랫면을 따라 흐르는 유체의 흐름에 의해 에어포일에 작용하는 힘이 각각 어떤 방향으로 미치는지 살펴보자. 먼저 에어포일의 아래 면을 따라 흐르는 유체는 왼쪽에서 오른쪽으로 흘러가면서 방향이 아래쪽으로 바뀌고 있다. 이것은 유체가 아래쪽 방향으로 가속되고 있음을 의미한다. 따라서 에어포일은 위쪽으로 반작용을 받는다. 한편 에어포일의 윗면을 따라 흐르는 유체에 대해서 생각해보자. 이 경우에도 유체는 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르면서 아래쪽으로 방향이 바뀌고 있다. 따라서 이 경우에도 유체는 위쪽에서 아래쪽 방향으로 가속되며, 반작용에 의해서 에어포일은 위쪽으로 힘을 받는다.이상에서 에어포일의 윗면과 아랫면을 따라 흐르는 유체의 흐름은 모두 에어포일을 위쪽으로 들어 올리는 힘을 작용한다는 것을 알 수 있다. 이 힘이 바로 양력의 근원이다. 다시 말해 양력은 에어포일에 의해 흐름이 바뀐 공기의 반작용으로 발생하는 힘이다.3.에어포일(Airfoil)항공기 날개의 단면은 에어포일(airfoil)의 구조로 되어있다. 에어포일이란 공기의 흐름으로부터 공기역학적 효과를 얻기 위해 설계된 구조를 말하는데 에어포일에서 나타나는 대표적인 공기역학적 효과가 바로 '양력(Lift)'이다.에어포일에서 양력이 만들어지는 과정은 간단하다. 에어포일 전면에 나타나는 상승 흐름인 UP WASH는 에어포일의 형상에 의해 아래로 힘을 받게되어 하강 흐름인 DOWN WASH로 변화하면서 그 반작용으로 위로 작용하는 힘, 즉 양력을 만들어내게 된다(작용 반작용의 법칙). 또는 에어포일의 윗면에 흐르는 공기의 속도가 아랫면보다 빨라지면 에어포일 윗면에서는 아랫면보다 낮은 압력이 아랫면보다 낮아지기 때문에 그 압력차로 떠오르게되는 양력이 만들어진다고도 볼 수 있는데요(베르누이의 법칙). 중요한 것은 '에어포일이 그 주변에 흐르는 공기흐름의 방향과 속력을 변화시킨다'는 점이다.이와같은 현상은 흐르는 유체속에서 회전하는 원형 물체에서도 나타난다. 흐르는다는 것을 알 수 있다. 이러한 유체흐름의 속도 변화와 그로 인한 DOWN WASH를 만들어낸 힘에 의해 에어포일에서의 양력과 같은 힘을 발생시는데, 이것을 Magnus Force라고한다. 즉, 유체흐름의 속도 변화와 그에 따른 DOWN WASH만 나타나게 할 수 있다면 양력을 얻을 수 있다는 결론이 나온다. 그래서 일반적인 에어포일에는 그와같은 목적을 달성하기 위해 윗면과 아랫면의 비 대칭적인 곡률을 만들어 주는 '캠버(Camber)'라는 설계를 적용한다.캠버는 보통 시위선(Chord line) 위쪽에 적용되어 에어포일의 윗면을 아랫면보다 더 굴곡지게 만든다. 이렇게 하면 에어포일의 윗면을 흐르는 공기흐름을 효과적으로 가속시켜주며 동시에 공기가 굴곡된 형태를 따라흐르면서 자연히 DOWN WASH가 나타나게 되며 속도가 바뀌게 된다. 그리고 에어포일 윗면과 아랫면의 속도 차이가 커지고 DOWN WASH 커질수록 그만큼 더 많은 양력을 얻을 수 있다.하지만 에어포일이 양력을 발생시키기 위해 반드시 캠버가 필요한 것은 아니다.에어포일을 향해 다가오는 공기의 자유흐름(Freestream)과 에어포일의 시위선 사이에 적절한 각을 이루면, 캠버가 적용되지 않은 대칭형 에어포일(symmetrical airfoil)에서도 양력을 얻을 수 있다. 이 때의 에어포일로 입사되는 자유흐름의 방향 과 에어포일의 시위선 사이에 각을 ' Hyperlink "http://100.daum.net/encyclopedia/view/196XXXXX04974" 받음각(Angle of attack, AOA)'이라고 하는데, 위 사진처럼 받음각이 에어포일 윗면의 공기흐름을 가속시켜주고 동시에 DOWN WASH의 양을 증가시켜주기 때문에 캠버 적용과 관계없이 양력을 얻을 수 있는 것이다.결론1.정리양력은 에어포일 위를 흐르는 공기 흐름에 의해 발생되는 항공역학적 힘이다. 대표적으로 압력의 차이로 설명할 수 있다. 흐르는 유체 속에 놓인 날개의 볼록한 윗 부분은 압력이 적고 오목한 아랫 부분은 압력이 르는 공기흐름의 방향과 속력을 변화시킨다'는 점이다. 에어포일 전면에 나타나는 상승 흐름인 UP WASH는 에어포일의 형상에 의해 아래로 힘을 받게되어 하강 흐름인 DOWN WASH로 변화하면서 그 반작용으로 위로 작용하는 힘, 즉 양력을 만들어내게 된다. 즉, 유체흐름의 속도 변화와 그에 따른 DOWN WASH만 나타나게 할 수 있다면 양력을 얻을 수 있다. 결국 에어포일에서 나타나는 양력은 '작용과 반작용' 그리고 '베르누이의 법칙'을 통해 이해할 수 있을것이다. 여기서 핵심은, 에어포일 윗면과 아랫면의 속도차를 만든다는 것, 그리고 그로인해 DOWN WASH를 만드는 어떤 힘이 양력의 반작용으로 발생한다는 점이다. 캠버를 적용하든 받음각을 사용하든 일단 이렇게 속도 차이로 DOWN WASH가 나타나게 만들어 놓으면 베르누이의 법칙을 따르든 작용 반작용을 따르든 어째든 양력이 만들어지기 때문이다.2.교재, 참고 문헌 및 자료 출처 Hyperlink "https://blog.naver.com/kac_kkm/220021616421" 양력 발생의 원리를 알아보자!!! : 네이버 블로그 (naver.com) Hyperlink "https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=leconat&logNo=220761325278&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.co.kr%2F" 양력은 어떻게 발생하나? 양력이 생기는 이유 : 네이버 블로그 (naver.com) Hyperlink "https://blog.daum.net/skyfalcon/78" 하늘을 나는 법 (daum.net)[네이버 지식백과] 양력 [Lift force, Lift, Lifting force] (물리학백과) Hyperlink "https://terms.naver.com/entry.naver?docId=2059658&cid=47316&categoryId=47316" [생활 속 과학 원리] 베르누이의 정리 (naver.com)비행원리 교재 Hyrg)

공학/기술| 2021.10.30| 8페이지| 1,000원| 조회(157)

항공기, 항공, 유체역학, 날개, 양력, 항력, 원리, 공력, 비행원리, 아세아

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전동기 및 발전기의 원리와 구성요소에 대한 특성

2021학년도 1학기 과제물과 목 명과목교수명학 번성 명과 제 명전동기 및 발전기의 원리와구성요소에 대한 특성평가점수제출날짜전동기 및 발전기의 원리와 구성요소에 대한 특성서론1.전동기 및 발전기의 정의본론1.전동기의 원리와 구성과 특성2.전동기의 종류3.발전기의 원리와 구성과 특성4발전기의 종류결론1.정리내용2.교재, 참고 문헌 및 자료 출처서론전동기 및 발전기의 정의전동기란?전동기 electric motor, 電動機전동기는 전기에너지를 전자 유도 현상을 이용하여 기계적 에너지인 회전 운동으로 바꾸는 기계 장치, 즉 전기를 이용하여 동력을 만드는 기계. 일반적으로 모터라고 하며 대부분 회전 운동으로 변환하지만 직선 운동으로 변환하는 것도 있다. 사용하는 전원에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 구분한다.대부분의 전동기는 모터의 자기장과 와이어 권선의 전류 사이의 상호 작용을 통해 작동하여 모터의 샤프트에 적용되는 토크의 형태로 힘을 생성한다.발전기란?발전기 electric generator, 發電機발전기는 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 일반적으로 전자기 유도를 이용한다. 발전기 동작의 기본 원리는 전동기의 원리와 같이 앙페르 법칙과 패러데이의 유도 법칙이다. 따라서 전기에너지의 역변환은 전동기로 수행되며 모터와 발전기는 많이 흡사하다. 원리적인 구분으로 직류발전기, 동기발전기, 유도발전기 등이 있다. 역학적 에너지의 근원은 터빈엔진, 터빈 또는 수차를 통해 떨어지는 물, 내부 연소 엔진, 바람 터빈, 태양 또는 태양에너지, 압축공기 등이 있다.본론1.전동기의 원리와 구성 특성1) 전동기의 원리전동기의 원리를 이해하기 위해서는 먼저 플레밍의 왼손 법칙에 대해서 알아야 한다. 플레밍의 왼손 법칙은 외부에 자기장이 존재하는 환경에서 도선에 전류가 흐를 때 그 도선이 받는 힘의 방향을 알 수 있는 방법이다. 아래 그림과 같이 엄지의 방향이 도선이 받는 힘의 방향, 검지는 자기장의 방향, 중지는 전류의 방향을 가리킨다.2) 직류 전동기의 동작구조와 힘의 크기가 점점 줄어들기 때문이다. 위의 그림과 같이 도선 고리가 자기장 방향과 수평방향일 때에 토크의 크기가 최대이고 수직방향이 되면 토크의 크기가 0이 된다. 따라서 투입되는 전력 대비 회전에너지 출력 효율이 매우 낮고, 이를 보완하기 위해 실제 전동기의 회전부는 아래와 같이 원형 철심에 코일을 감아서 만든다. 이런 구조로 회전부를 제작하면 철심이 자속을 밀집시켜서 회전운동을 만드는데 관여하는 자속의 밀도를 높일 수 있고, 토크를 생성하는 도선의 개수도 증가하기 때문에 효율을 높일 수 있다.4) 교류 전동기교류 전동기는 전동기를 동작시키는 전원이 교류인 전동기이다. 구조에 따라 동기 전동기와 유도 전동기(비동기 전동기)로 분류할 수 있고 동기 전동기에는 영구자석 동기 전동기와 비영구자석 동기 전동기로 나눌 수 있다. 직류 전동기는 회전부의 회전운동방향을 유지하기 위해 주기적으로 전류의 방향을 전환시켜주는 부품인 브러쉬와 정류자가 필요하지만 교류 전동기의 전원은 교류이기 때문에 브러쉬와 정류자가 없어도 된다. 그래서 대부분의 교류 전동기는 브러쉬와 정류자가 없는 구조라서 브러시리스(brushless) 모터라고 부르기도 한다.5) 직류전동기의 구성과 특성직류전동기는 내부의 전기자가 180도 회전할 때마다 방향을 바꾸는 방법에 따라 브러쉬를사용한 브러쉬부착 전동기와 전자 스위칭 기술을 이용한 브러쉬레스(brushless) 전동기로 구분된다. 다시 브러쉬부착 전동기는 여자방식에 따라 직권식, 분권식, 복권식, 직권식으로 나뉜다. 직류전동기는 속도, 토크 및 회전방향의 제어가 용이한 장점이 있다. 그러나 정류기가 필요하고, 정류 문제나 기계적인 강도상의 문제로 고속화에 제한이 있으며, 브러쉬부착전동기는 정기적인 보수 점검이 필요하다는 단점이 있다. 소형 직류전동기는 대개 12V 정도의 저전압에서 작동한다. 직류전동기는 속도제어가 쉬워 전철, 엘리베이터, 압연기 등과 같이 속도 조정이 필요한 경우 널리 사용된다.6) 교류 전동기의 구성과 특성교류전동기는 3상교류용과면 속도는 상승하여 완전 무부하로 되면 속도가무한에 가까워져서 위험하다.③변속도 특성 떄문에 제어용으로는 부적합하고, 자동차의 시동전동기, 크레인, 전동차등에 사용2) 분권전동기(shunt-wound motor)①계자극 권선과 전기자 권선이 병렬로 연결된 직류 전동기다.②부하변동에 따른 속도변화가 적다.(정속도 특성)③컨베이어 벨트, blower, 공작기계 등에 사용된다.3) 복권전동기(compound motor)①전기자 권선과 직렬 및 병렬로 연결된 계자극 권선을 가지고 있다.②가동복권 전동기와 차동복권 전동기가 있다.4) 타여자 전동기(separately excited motor)①전기자 권선과 계자극 권선이 별도로 분리되어 있다.교류 전동기의 종류1) 유도전동기① 유도 전동기의 고정자에 교류 전원을 투입하게 되면 고정자에 회전 자기장이 형성된다. 이 자기장을 회전자가 받게 되면 이에 반응하여 기전력이 유도되고 회전자에도 순환전류가 흐르게 된다. 이 전류로 회전자가 여자됨에 따라 자기력이 형성되어 고정자의 자기장과 상호작용하여 토크가 발생한다.2) 동기전동기① 동기 전동기도 플레밍의 왼손 법칙으로 토크를 발생시키는데 유도 전동기와는 달리 동기 전동기의 계자는 여자된 코일이나 영구자석을 통해 스스로 자계를 만든다는 큰 차이점이 있다. 이렇게 회전자에 박혀있는 영구자석이나 전자석을 직접 밀고 당겨서 토크를 내는 원리이므로 유도 전동기처럼 교류전원을 먼저 투입해서 회전자를 자화시키고 어쩌고 같은 삽질을 할 필요가 없으며, 회전자의 절대위치와 회전수에 맞춰서 교류전원이 투입되어야 제데로 성능을 낼 수 있다. 또한 반대로 고정자 회전자계의 회전속도에 맞춰서 회전자가 돌아가려는 성질을 가지기도 하므로 부하에 상관없이 정속 회전이 필요한 시스템에 많이 사용되기도 하였다.3.발전기의 원리와 구성과 특성1) 발전기의 원리두 개의 자석 N극과 S극 사이의 자기장이 존재하는 공간에 코일을 넣고, 코일을 회전시키면 코일 속의 자기장 변화가 생기고, 이 때 코일의 양끝에 유도 기코일: 3라인의 코일이 120°위상차로 Y결선 되어 있음 (3상 Y결선)② Rotor(회전자): 로터 내부의 철심에 코일이 감겨있고 슬립링을 통해 전류가 들어오면 전자석이 된다. 이때 로터가회전하면서 자속을 끊어 스테이터 코일에 전기가 발생되도록 한다③ 정류기: 실리콘 다이오드 6개를 사용하여 교류를 직류로 정류시킨다.④ 슬립링과 브러시: 슬립링과 브러시가 접촉하여 전기를 공급한다4.발전기의 종류1) 발전기의 종류- 직류발전기: 계자를 하우징에 고정시키고 전기자를 회전시켜 전기를 생산한다- 교류발전기: 내부의 로터(회전자)를 회전시켜 스테이터(고정자)에서 전기를 생산한다- 브러시리스 발전기- 직권 발전기: 전기자 코일과 계자코일을 직렬로 연결- 분권 발전기: 전기자 코일과 계자코일을 병렬로 연결- 복권 발전기: 전기자 코일에 2개의 계자코일을 직렬(직권계자) 및 병렬(분권계자)로 연결- 동기 발전기- 유도 발전기2) 직류발전기교류 발전기의 슬립링 대신 2조각의 정류자편을 연결한다. 코일의 양 끝을 각각 정류자편에 한쪽씩 연결하고 양쪽에 브러쉬를 접촉시켜 직류 전류를 얻는다.3) 교류발전기코일의 양 끝에 슬립링을 연결시킨다. 이때, 한쪽의 코일 끝은 안쪽의 링에 연결하고 다른 한쪽의 코일 끝은 바깥쪽의 링에 연결한다. 두 링은 서로 접촉하지 않은 상태이고 코일을 회전시키면 두 링은 각기 자기의 중심점을 기준으로 제자리에서 회전한다. 회전하는 두 링에 각각 브러쉬를 접촉시키면 기전력을 얻을 수 있다. 구조가 간단하고 출력효율이 우수하며 정비 및 유지보수가 용이 하다.4) 브러시리스(Brushless) 교류 발전기정류자, 브러시, 슬립링이 없이 회전계자를 여자 시켜 고정 스테이터에서 전기를 생산5) 동기발전기단지 교류발전기라고 하면 동기발전기를 의미하는 것이 일반적이며 많이 채용하고 있다. 병렬 및 단독 운전이 가능하고 전압 일정 및 역률 일정 제어 가능하다. 여자장치 등으로 구조가 다소 복잡하고 고가인 단점을 가지고 있다. 중, 대형기 및 열병합용에 주로 사용된다 정류자(commutator)를 통과해 도선 고리에 그림과 같이 시계방향의 전류가 흐르게 된다. 이 때 도선이 받는 힘의 방향은 플레밍의 왼손법칙을 따르기 때문에 S극쪽의 도선은 위쪽 방향의 힘을 받고, N극쪽의 도선은 아래쪽 방향의 힘을 받아서 회전을 하게 되는 원리이다. 교류 전동기는 전동기를 동작시키는 전원이 교류인 전동기이다. 구조에 따라 동기 전동기와 유도 전동기(비동기 전동기)로 분류할 수 있고 동기 전동기에는 영구자석 동기 전동기와 비영구자석 동기 전동기로 나눌 수 있다. 직류 전동기는 회전부의 회전운동방향을 유지하기 위해 주기적으로 전류의 방향을 전환시켜주는 부품인 브러쉬와 정류자가 필요하지만 교류 전동기의 전원은 교류이기 때문에 브러쉬와 정류자가 없어도 된다. 직류 전동기의 종류는 직권, 분권, 복권등 이있고 교류 전동기는 유도 전동기, 동기 전동기등이 있다.발전기는 두 개의 자석 N극과 S극 사이의 자기장이 존재하는 공간에 코일을 넣고, 코일을 회전시키면 코일 속의 자기장 변화가 생기고, 이 때 코일의 양끝에 유도 기전력이 생겨 유도 전류가 흐르게 된다.코일을 오른손의 엄지손가락이 가리키는 방향으로(반시계 방향) 회전 시키면 플레밍의 오른손 법칙에 의해 가운데 손가락이 가리키는 방향으로 전류가 흐른다. 발전기의 구성 원리는 전동기와 흡사하다. 직류 발전기는 전기자, 계자, 정류자, 브러쉬로 구성되며 전동기와 같다. 교류 발전기는 고정자 철심, 고정자 철심, 회전자, 정류기, 슬립링, 브러쉬로 구성된다.발전기의 종류는 직류발전기와 교류발전기로 나뉘며 직류발전기는 계자를 하우징에 고정시키고 전기자를 회전시켜 전기를 생산한다. 교류발전기는 내부의 로터(회전자)를 회전시켜 스테이터(고정자)에서 전기를 생산한다. 직류발전기는 직권, 분권, 복권으로 구분되며 교류발전기는 유도발전기와 동기발전기로 구분한다.2.교재, 참고 문헌 및 자료 출처[네이버 지식백과] 전동기 [Electric motor] (물리학백화)[네이버 지식백과] 전동기 [electric mm)

공학/기술| 2021.10.30| 9페이지| 1,000원| 조회(264)

항공기, 전자, 항공, 전동기, 전기, 발전기, 원리, 아세아, 아세아 과제

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공력 발생 원리 와 날개에 작용하는 공력 과제물

2021학년도 1학기 과제물과 목 명과목교수명학 번성 명과 제 명공력 발생 원리와 날개에 작용하는 공력평가점수제출날짜공력 발생 원리와항공기 날개에 작용하는 공력목차1.서론공력의 정의2.본론공력의 발생 원리1.양력과 항력2.양력 발생 원리날개에 작용하는 공력1.유해항력 및 유도항력2.날개 형상의 영향3.결론정리서론공력의 정의공력은 공기 중을 지나는 물체와 공기와 상호작용에 의해 발생하는 기계적인 힘이라는 정의를 가진다. 항공기에서의 공력은 양력과 항력을 의미하는데, 공력은 비행기의 속도와 공기의 흐름의 성질, 비행기의 형상,날개의 크기와 모양 등에 따라 달라진다. 특정한 상황이 아니라면 양력을 크게 하고, 항력을 작게 할수록 경제적인 비행을 할 수 있으므로 비행기의 형상을 유선형으로 제작하며 날개 단면 또한 특별하게 설계한다.본론양력과 항력(1)양력양력은 물체의 주위에 유체가 흐를 때 물체의 표면에서 유체의 흐름에 대하여 수직 방향으로 발생하는 힘이라는 사전적 의미를 갖고 있다. 비행기가 비행하게 되면 날개를 포함한 비행기 전체 표면에는 압력에 의한힘과 전단력에 의한 힘이 발생하는데 이 전체 공력 중 비행기가 진행하는방향과 수직인 성분이 양력이다. 조종사는 조종간을 앞뒤로 움직여 받음각을 변화 시킴으로써 양력을 조절할 수 있다. 모든 요소가 일 정하다면 받음각이 증가할 때 양력도 같이 증가한다. 항공기가 최대의 받음각에 도달하면 양력이 급격이 줄어들기 시작하는데 이를 실속받음각, 즉 임 계받음각(Critical AOA)이라고 한다.그림을 보면, 양력계수가 임계받음각에 도달할 때까지는 증가하고, 임계받음각을 초과하면 급격하게 양력이 감소되는 것을 볼 수 있다. 양력의 크기는 항공기의 속도 제곱에 비례한다. 예를 들면, 받음각과 다른 요소들(양력계수,공기밀도,날개면적)이 일정하면 200노트의 항공기는 100 노트의 항공기보다 4배의 양력을 발생시킨다. 위의 양력공식은 속도가 2배가 되면 양력은 4배가 된다는 것을 수학적 예를 통해 뒷받침하고 있다.결론은, 속도는 양모든 요소가 일정하다면 받음각이 변하여도 고도가 변하지 않도록 하기 위해서는 속도를 조절하 여야 한다. 플랩 등의 다른 고양력 장치(High Lift Device)가 없다는 가정 하에 임계받음각 또는 실속 받음각 직전에서 양력을 증가시키는 법은 속도를 증 가시키는 것이다. 양력과 항력은 또한 공기밀도의 영향을 크게 받는다. 이 밀도는 여러 요인의 영향을 받는데, 이 는 기압(Pressure), 기온(Temperature), 습도 (Humidity)이다. 1만 8,000피트에서의 대기압은 해수면(Sea Level)의 절반 수준이다. 즉, 고고도에 서 비행하려면 항공기는 더 많은 진대기속도(True Air Speed, TAS)가 필요하게 된다. 더운 공기는 찬 공기보다 밀도가 낮고, 습한 공기는 건조한 공기보다 밀도가 낮으므로 같은 양력을 발생시키기 위해서 덥고 습한 날씨에서는 건조하고 시원한 날씨보다 더 큰 진대기속도가 필요하다. 공 기밀도가 줄어든 상태에서 양력의 크기를 일정하게 유지하려면 통상 조종사가 직접 조종할 수 있는 속 도나 받음각을 증가시킨다. 양력은 날개의 크기에도 비례한다. 다른 요인 이 일정하다고 가정했을 때 200평방피트(Square Feet)의 날개는 100평방피트의 날개보다 2배의 양 력을 제공한다. 조종사는 양력의 크기를 변화시킬 때 속도와 받음 각으로 조절할 수 있다. 물론 고도를 맞춤으로써 공 기밀도를 맞출 수 있고 고양력장치 등을 이용해서 날개의 면적을 조절할 수 있으나 속도와 받음각을 변화시키는 것이 일반적이다.(2)항력항력은 물체가 유체 내를 움직일 때 해당 움직임에 저항하려는 힘이라는 사전적 정의를 갖고 있다. 비행기가 비행하게 되면 날개를 포함한 비행기 전체 표면에는 압력에 의한 힘과 전단력에 의한 힘이 발생하는데 이 전체 공력 중 비행기가 진행하는 방향으로 움직이는 성분이 항력이다.대부분의항공기는 비행 중에 항력을 최소화하지만 착륙하거나 감속시 시에는 스포일러나 역추력장치,제동낙하산 등 여러 방법을 통해 항력을 증가시킨다.칙작용-반작용 법칙이란,물체A가 다른 물체 B에 힘을 가하면,물체B는 물체A에 크기는 같고 방향은 반대인 힘을 동시에 가한다는 내용이다.베르누이의 원리베르누이의 원리를 설명하기 위해선 먼저 정압과 동압에 대해서 알아야한다.정압은 Ps로 표기하며 공기와 대기가 움직이지 않을 때의 압력을 의미하며 흐르는 방향의 수직방향에서 측정되는 압력이다.동압은 Pd로 표기하며 흐르는 공기와 대기의 운동에너지에 해당되는 압력으로 계산 및 환산으로 얻어지는 압력이다.동압의 공식은 Pd=1/2pV^2이며 각각의 기호가 나타내는 내용은 위에서 서술한 기호와 같다.전압은 Pt로 표기하며 전체압력 이라고도 한다. 공기와 대기흐름에서 정압과 동압의 합을 전압이라 하고, 이 값은 항상 일정하다. 식으로 나타내면 이와 같다. Pt=Ps+Pd위와 같은 내용은 베르누이의 원리에서 양력발생 원리를 설명하는데 사용된다. 아래 그림과 같이 날개 단면에서 윗면에 더 큰 캠버를 주게 된다면, 윗면에 흐르는 공기 속도 V1은 커지게 되어 동압이 커지게 되고 전압은 일정해야 하므로 정압은 작아지게 되어 낮은 압력분포를 형성하게 된다. 반면 상대적으로 작은 캠버를 지닌 아랫면의 V2는 상대적으로 작아지게 되어 동압이 작아지게 되고,정압은 커지게 되어 높은 압력분포를 형성하게 된다.쿠타-쥬코브스키 법칙쿠타-쥬코브스키 원리의 내용은 회전하는 물체에 흐르는 유체가 부딪히면 유체의 점성에 의해 회전방향으로 유체가 움직이려 한다는 내용은 깔고 들어간다. 쉬운 예로 들면 야구공에 강한 회전력을 주어 던지게 되면 한쪽방향으로 휘는 현상이 일어난다.이는 마그누스가 실험한 마그누스 효과라고 불리는 현상이다. 공이 빠르게 회전하면서 나아갈 시 균일하게 흐르는 공기와 회전하는 공 주위에 같이 회전하는 공기가 있게 되면 한쪽의 좁은 부분에서는 압력강하가 일어나고 반대면에서는 압력증가가 일어나기 떄문에 양력이 발생한다. 이를 항공기에 적용하면 고정익 항공기가 출발을 하게 되면 날개 뒷전에서부터 출발와류가 생기는데 이것과 크기가 같고 발생한다.-표면 마찰 항력(Skin friction drag)표면 마찰 항력은 공기가 항공기 표면을 지나갈 때 발생하는 공기 역학적 저항이다.-유도항력(induced drag)수평 비행에서는 날개 또는 회전익의 특성에 따라 양력이 발생하지만 이는 특정 불이익을 희생해서만 얻을수있다. 이 불이익에 주어진 이름이 유도이다.유도항력은 에어포일이 양력을 생성할 때마다 같이 발생하며 양력의 생성으로부터 뗼 수 없는 것이다. 즉, 유도항력은 양력이 생성되는 한 항상 존재한다.날개 형상의 영향(Effect of wing platform)날개 성능과 비행기 특성을 학습할 때 날개의 형태에 따른 효과를 이해하는 것은 중요하다. 가로세로비(Aspect ratio),테이퍼비(Taper ratio),그리고 후퇴각은 날개의 공기역학적 특성에 매우 중요한 요소이다. 가로세로비는날개 길이와 시위선의 비율이며 테이퍼비는 날개 끝 시위 길이와 날개 뿌리 시위 길이와의 비를 말하는 것으로 직사각형 날개는 테이퍼비가 1이고 삼각 날개는 테이퍼비가 0이된다. 후퇴각은 날개 또는 수평안정판이 후방으로 쳐져 있는 정도를 말한다.설계자는 공기역학적 특성을 고려하여 날개의 형태를 변경한다. 이 방법은 일반적인 두 가지 방법이 있다.첫번째 종횡비를 변경하는 것인데 이것은 양항비를 결정하는 중요한 요소이다. 높은 받음각에서의 종횡비 증가는 항력을 줄이고 상승성능이 향상된다. 종횡비가 감소하면 항력이 증가된다. 종횡비의 증가는 날개의 길이에 비례하므로 날개 길이가 커지면 날개의 중량이 증가한다. 이러한 이유로 인하여 항력이 감소되는 장점에도 불고하고 날개 디자인 시 적절하게 조절하는 것이 중요하다.두 번째는 테이퍼 날개를 만드는 것으로 날개 길이를 줄이는 방식이다.일반적으로 이 방식은 항력을 줄이고(특히 높은 속도에서) 양력을 향상시키며날개의 무게를 감소시키는 구조적 이점이 있다.대부분의 훈련용 항공기나 일반 항공기에선 높은 양항비가 요구되므로 높은종횡비를 갖춘 날개가 부착된다. 높은 속도에서 운항하도록 .타원형 날개의 공기역학적 효율을 만들기 위해 직사각형 날개와 테어퍼 날개는 에어포일을 살짝 비틀거나 변형시킨다. 타원형 날개가 초기 실속에 도달하기 전에 최상의 양력계수를 제공하는 것은 맞으나 완전한 실속에 대한 조기징후는 거의 없으며 적은 조작으로 측면 제어가 어렵다. 타원형 날개와 비교해 직사각형 날개는 날개 뿌리에서 실속이 발생되기 때문에 충분한 실속 경고를 제공하며 안정된 에일러온 조작이 가능하다. 따라서 타원날개의 적용은저비용,저속 항공기에 유리하다.결론정리비행 중인 항공기에 작용하는 힘은 작용 방향에 따라 양력,항력,추력 및 중력으로 구분한다. 이 힘들은 서로 상호작용을 통해서 비행을 가능하게 한다. 비행기에 작용하는 네 가지 힘 중 양력과 항력은 공기 중을 비행하는 속도와 자세에 따라 발생하기 떄문에 공기역학적 힘인 공력이라고 부른다. 공력은 공기 중을 지나는 물체와 상호작용에 의해 발생하는 기계적인 힘이라는 정의를 가진다, 항공기에서의 공력은 양력과 항력을 의미하는데, 공력은 비행기의 속도와 공기의 흐름의 성질,비행기의 형상,날개의 크기와 모양 등에 따라 달라진다. 양력은 물체의 주위에 유체가 흐를 떄 물체의 표면에서 유체의 흐름에 대하여 수직 방향으로 발생하는 힘이라는 사전적 의미를 갖고 있다.양력 발생 원리는 뉴턴의 운동 법칙과 베르누이 정리, 쿠타-쥬코브스키 법칙에 기초를 둔다.뉴턴의 운동 법칙, 작용-반작용 법칙은 물체A가 다른 물체 B에 힘을 가하면,물체B는 물체A에 크기는 같고 방향은 반대인 힘을 동시에 가한다는 내용이다. 베르누이의 원리는 운동하고 있는 유체(공기,액체) 내에서의 압력과 유속, 임의의 수평면에 대한 높이 사이의 관계를 나타내는 유체역학의 정리를 말한다.쿠타-쥬코프스키 법칙은 공정익 항공기가 출발을 하면 날개 뒷전에서부터 출발와류가 생긴다.이것과 크기가 같고 방향만 반대인 와류가 날개에 생기게 되고 날개주변에 생기는 이순환은 항상 날개에 붙어 다니므로 속박와류라 한다.이 와류로 인해 양력이 발생한다는 운동 법칙이다.날2

공학/기술| 2021.10.30| 9페이지| 2,000원| 조회(189)

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