항공기에 작용하는 힘의 종류1) 추력 : 항공기에 장비된 프로펠러, 제트엔진 등이 항공기의 뒤쪽으로 공기를 밀어내어 작용-반작용을 통해 항공기가 앞으로 나아가도록 하는 힘2) 항력 : 앞으로 나가는 항공기에 저항하여 항공기의 뒤쪽으로 작용하는 일종의 공기에 의한 마찰력3) 양력 : 항공기가 앞으로 나아가면서 날개 윗면과 아랫면의 압력 차이에 의해 수직으로 생성되어 항공기를 띄우는 힘4) 중력 : 중력 혹은 무게라 하여 항공기와 지구가 서로 당기는 힘양력이란양력은 유체의 흐름 방향에 대해 수직으로 작용하는 힘을 말한다. 밀도 차이에 의하여 생기는 부력은 물체나 물체 주변에 있는 유체(물이나 공기 등)가 정지한 상태에서도 발생하지만, 양력은 반드시 물체든 유체든 둘 중 하나가 움직여야 발생한다. 이 점 때문에 유체의 흐름에 대해 수직이란 말을 달게 된다.평상시의 물체는 모든 방향에 대해서 일정한 압력(정압)을 받고 있다. 하지만 만약 한쪽 방향의 압력이 높아지거나, 반대로 압력이 낮아지게 되면 결국 압력이 낮은 쪽 방향으로 밀리는 힘을 받게 되는데 이러한 현상이 가장 기본적인 양력의 발생이라고 할 수 있다.베르누이 원리(정리)베르누이 원리는 항공기가 어떻게 하늘을 날며, 방향을 마음대로 조정할 수 있는가를 설명해 줄 수 있는 이론이다. 수도관의 끝 부분을 좁게 해주면 갑자기 수돗물이 빨리 분출되는 것을 볼 수 있는데 즉, 물은 좁은 곳으로 들어갈수록 속력이 증가한다. 이러한 현상은 유체의 압력이 감소하면 유체의 속도가 증가한다는 것을 보여주는 것이다. 이는 일정한 속도로 흐르고 있는 유체의 에너지가 보존된다는 원리에서 출발한다. 따라서 유체의 속도가 증가하면 압력이 감소하는 것이고, 유체의 속도가 감소하면 압력이 증가하게 되는 것이다. 이것을 베르누이 원리라고 한다.이와 같은 베르누이 원리가 성립하기 위해서는 몇 가지 전제가 만족되어야 한다.1) 유선을 따르는 비점성 흐름이어야 한다2) 정상 상태의 흐름이어야 한다3) 마찰이 없는 흐름이어야 한다4) 비압축성 유체체의 압력3) 전압 : 유체의 작용하는 에너지의 합으로 동압 + 정압 = 전압여기서 전압 = 동압 + 정압 = 일정이라고 할 수 있는데 이에 대해서는 에너지 보존 법칙을 들어 설명할 수 있으며 이에 대한 식은 다음과 같다.Pt1(전압) = q1(동압) + p1(정압) = 일정 // q1 + p1 = q2 + p2즉 동압과 정압의 합은 항상 일정 하기에 동압이 상승하면 정압은 내려가고, 동압이 내려가면 정압은 올라가면서 항상 일정한 값을 유지한다고 할 수 있다.이를 쉽게 풀어 설명하면 ‘유체의 속도(동압)가 높은 곳에서는 압력(정압)이 낮아지고, 유체의 속도가 낮은 곳에서는 압력이 높아진다’ 라고 말할 수 있다.위와 같은 점들과 그림(사진)을 참고했을 때 날개 윗면을 흐르는 유체는 날개의 아랫면을 흐르는 유체보다 더 먼 거리를 진행하지만 속도는 아랫면을 흐르는 유체보다 빠르다는 것을 알 수 있다. 따라서 베르누이 원리에 따라 유체의 속도가 높은 곳에선 압력이 낮으므로 날개 윗면의 압력이 날개 아래쪽의 압력보다 낮아지게 된다. 이러한 압력 차에 의해 항공기는 위쪽으로 올려지게 되는 것이다.에너지 보존 법칙마찰이나 공기 저항이 있으면 운동하는 물체의 역학적 에너지가 감소한다. 이 때 감소한 역학적 에너지는 사라지는 것이 아니라 다른 형태의 에너지로 전환된다. 따라서 다른 형태의 에너지로 전환되는 것까지 모두 고려하면 에너지의 총량은 항상 일정하게 보존된다. 이를 간단히 정리하자면 다음과 같다A) 에너지는 새로 만들어지거나 파괴되지 않고 오직 다른 형태의 에너지로 변화할 수 있다B) 에너지의 총량을 변하지 않는다긴 경로 이론(동시 통과 이론)위의 설명한 베르누이 원리를 들어 가장 흔히 설명되는 이론을 긴 경로 이론 혹은 동시 통과 이론이라고 한다. 앞서 나온 그림이 바로 긴 경로 이론을 표현한 그림으로서 이 이론은 다음과 같다.‘항공기 날개의 단면을 보면 윗면이 굽어져 있어 경로가 더 멀다. 이 때 앞쪽에서 날개에 의해 갈라진 공기는 뒤쪽에서 같은 시간에 다시 만나야날개 단면의 윗면과 아랫면이 대칭형으로 이루어져 있어 앞전에서 뒷전으로의 거리가 일정한 날개도 있으며 또한 초임계 날개와 같은 날개의 윗면보다 아랫면이 더 긴 날개 역시 존재한다. 단, 날개 윗면과 아랫면의 속도차를 분명히 있으며, 그로 인해 날개의 위/아래의 압력차 역시 분명히 존재한다. 이는 베르누이 원리는 틀리지 않으나, 긴 경로 이론은 항공기 양력의 발생의 원리를 설명하기에는 무리가 있다는 것을 말하게 된다.추력과 항력이 양력에 미치는 영향그렇다면 실제로 비행기의 양력 발생에 가장 영향을 주는 것은 무엇일까 라는 의문이 생긴다. 그것을 설명하기 전에 먼저 항공기에 작용하는 힘들 중 추력과 항력이 양력 발생에 있어 어떠한 영향을 미치는지에 대해 설명하겠다.A) 추력 : 추력은 항공기가 앞으로 나가는 힘이다. 이 추력에 의해 항공기는 앞으로 전진하게 되며, 이는 정지해 있는 공기에 대해 항공기가 상대속도를 가지게 만든다. 이것을 다르게 보면 항공기 입장에서는 바람이 앞으로 불어오는 것처럼 느끼게 된다. 이 ‘바람’ 은 날개에 공기의 흐름을 만들게 되고 날개의 윗면과 아랫면의 캠버(곡률) 차이에 의해 날개의 윗면과 아랫면을 각각 타고 흐르는 공기 흐름의 속도가 달라지게 되며, 이는 윗면의 더 빠른 공기가 더 낮은 압력을 가지게 하여 결과적으로 날개의 아래에서 위로 밀어내는 양력을 만들게 된다. 여기서 생기는 양력은 항공기의 현재 속도와 비례한다.B) 항력 : 항력은 앞으로 나가는 항공기에 저항하는 힘으로 항공기가 앞으로 나가는 것을 방해하지만 이 항력을 날개의 받음각(AOA) 에 따라 양력을 만들게 된다. 항공기는 기수의 방향을 달리하여 바람이 자신의 날개에 부딪히는 각도를 조절할 수 있다. 예를 들어 비행기가 수평으로 진행하다 기수를 들어도 비행기는 방금 막 기수를 들었기 때문에 아직 진행방향은 수평이게 된다. 하지만 기수를 들었기 때문에 날개는 기울어져서 아랫면으로 바람을 받게 되고, 결과적으로 날개 아랫면에 바람이 부딪히는 것과 같은 효과이기 때문에 결발생시킬 수 있다. 실제로 상하대칭인 대칭형 날개에서는 받음각이 없으면 양력이 전혀 발생하지 않는다. 날개가 상하로 뒤집힌 배면비행이 가능한 이유 역시 날개의 받음각으로 양력을 발생시키기 때문이다. 이러한 사실들을 통해 날개 윗면과 아랫면의 공기 속도 차에 의한 압력차로 인한 양력 발생보다 받음각을 통한 양력의 발생이 항공기를 띄우는 데 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.이 받음각에 의한 양력의 발생은 뉴턴의 제 3법칙인 작용-반작용의 원리에 의해 날개 아랫면에 부딪힌 공기가 아래로 향하면서 그 반작용으로 날개를 들어올이는 양력을 발생시키는 것을 볼 수 있다. 받음각의 증가는 날개의 윗면의 공기흐름의 운동에너지를 증가시켜 동압을 크게 하고 그로 인해 압력감소로 양력이 증가하게 된다. 하지만 과도한 받음각의 증가는 날개의 표면을 따라 흐르는 공기의 흐름 분리로 오히려 양력의 감소를 가져오게 된다.뉴턴의 제 2법칙 (가속도의 법칙)가속도의 법칙은 힘과 가속도의 법칙이라고도 하며 ‘힘이란 물체의 운동상태 또는 모양을 변화시키는 원인이고 가속도는 속력의 변화’ 라고 하는 법칙이다. 힘이란 물체의 운동상태 또는 모양을 변화시키는 원인이고 가속도는 속력의 변화이다. 즉, 어떤 물체에 더 많은 힘을 줄수록 그 물체는 더 속력의 변화를 겪으며 움직이다. 이러한 점을 보아 항공기 엔진에서 발생되는 추력이 항공기의 항력보다 커지게 되면 힘은 비행기의 진행 방향쪽으로 작용하게 될 것이고, 따라서 가속도의 법칙에 따라 비행기의 속도는 계속해서 증가하게 된다. 이는 곧 추력이 계속해서 상승하게 된다는 뜻이고, 앞서 설명하였듯이 추력이 발생함에 따라 양력이 생성되게 되고 이 양력은 항공기의 현재 속도에 비례하게 된다. 결과적으로 추력이 증가하면 양력 역시 증가한다고 설명할 수 있다.단, 속도가 증가하게 되면 유해항력 역시 증가하기 때문에 속도가 어느 정도 증가하여 추력과 항력이 같아지게 되면 등속 직진 운동을 하게 된다.뉴턴의 제 3법칙 (작용-반작용의 법칙)작용-반작용의 법칙 부딪힌 공기는 날개 아래로 떨어지게 되고 이에 대한 반작용으로 양력이 발생하여 날개를 띄운다고 할 수 있다.날개의 모양 및 두께와 양력 간의 관계A) 날개의 모양과 양력의 관계a) 직선익: 직선익이란 양력을 발생시키는 주익의 좌우 끝이 동체에 붙어있는 날개 뿌리보다 앞쪽에 있는 날개를 말한다.: 항공기의 속도가 느린 상태에서 양력을 크게 하려면 날개를 크게 제작하면 된다. 항공기의 최대 속도와 운항속도 자체가 느린 저속 비행기의 경우 날개를 크게 제작할 때에는 날개의 가로세로비를 크게 한다는 특징이 있다. 비행기의 날개를 직선익 형태로 하여 날개의 가로세로비를 크게 제작하면 양력이 발생하는 면적이 넓어져 비행기에 작용하는 양력이 커지게 된다.b) 후퇴익: 뒤로 젖혀진 모양을 가진 날개를 말하며, 직선익에 비해 직진비행에서 안정성이 우수하며, 항력이 적게 발생한다는 특징이 있다.: 항공기의 속도가 빨라지면 날개가 공기에 부딪히는 현상에 의해 항공기의 진행을 방해하는 항력이 커진다. 특히 항공기가 천음속의 영역에 도달하면 날개에 부딪힌 공기가 압축된 충격파가 발생한다. 이 때 항력이 급격하게 증가하게 되는데, 후퇴익의 날개 모양을 사용하면 항력을 줄일 수 있다.: 후퇴익은 직선익에 비해 날개를 통해 얻게 되는 양력은 작지만 천음속 영역에서 발생하는 항력을 감소시키는 효과가 탁월하기 때문에, 높은 속도를 요구하는 전투기들을 날개 모양을 후퇴익으로 제작했다.(현대에는 저속 항공기을 제외한 대다수의 항공기가 후퇴익을 사용한다) 일반적으로 고속 비행을 위해 엔진 출력을 크게하고 운항 속도를 높여 후퇴익에 의해 발생하는 양력 손실을 줄인다. 즉, 직선익을 사용하는 것보다 후퇴익을 통해 공기의 저항을 줄여 고속으로 비행함으로서 비행에 필요한 충분한 양력을 확보한다는 것이다.B) 날개의 두께와 양력의 관계: 날개의 두께 역시 양력과 관계가 있는데 날개의 두께를 두껍게 제작할 때에는 날개 윗면을 볼록하게 하고 아랫면을 평평하게 만든다. 왜냐하면 날개 윗면이 볼록해질수록 날개 준다.
