무거운 비행기를 공중에 띄우는 양력이 어디서 나오는지, 교과서에도 실렸던 '같은 시간 도착설'이 왜 틀렸는지 정리했습니다.
하늘을 나는 비행기에는 네 가지 힘이 작용합니다. 위로 받치는 양력과 아래로 끄는 무게, 앞으로 미는 추력과 뒤로 잡아당기는 항력입니다. 엔진이 만드는 것은 추력이고, 비행기를 직접 들어 올리지는 않습니다. 엔진이 비행기를 앞으로 밀면 날개가 공기를 가르며 나아가고, 그 움직임이 양력으로 바뀝니다. 같은 높이에서 같은 속도로 날 때는 양력과 무게, 추력과 항력이 각각 균형을 이룹니다. 결국 비행기가 뜨는 원리를 묻는 것은 날개가 어떻게 양력을 만드느냐를 묻는 것입니다.
흔히 듣는 설명은 이렇습니다. 날개 윗면은 볼록해서 아랫면보다 길고, 앞에서 갈라진 공기는 뒤끝에서 동시에 다시 만나야 하므로 윗면 공기가 더 빨리 흐르며, 빠른 공기는 압력이 낮아 날개가 위로 들린다는 것입니다. 이 설명은 그럴듯하지만 틀렸습니다. 갈라진 공기가 뒤끝에서 동시에 만나야 할 물리적 이유가 전혀 없습니다. 풍동에서 연기를 흘려 보면 윗면 공기는 아랫면 공기보다 훨씬 먼저 뒤끝에 도착합니다. 또 이 설명대로 속도 차이를 계산하면 여객기를 띄우기에는 턱없이 작은 양력밖에 나오지 않습니다.
같은 시간 도착설이 틀렸다는 것은 주변에서도 확인할 수 있습니다. 이 설명대로라면 윗면이 더 길지 않은 날개는 양력을 만들 수 없어야 하지만, 실제로는 그렇지 않습니다. 날개의 볼록한 모양은 양력을 효율 있게 만들도록 돕는 장치이지 양력의 필수 조건이 아닙니다.
날개는 앞쪽이 살짝 들린 각도로 공기를 맞으며, 이 각도와 날개 모양 때문에 날개를 지난 공기는 아래쪽으로 꺾여 흘러갑니다. 날개가 공기를 아래로 밀어내면 작용과 반작용에 따라 공기는 날개를 위로 밉니다. 같은 일을 압력으로 보면, 휘어진 흐름 때문에 날개 윗면에는 주변보다 압력이 낮은 영역이, 아랫면에는 압력이 조금 높은 영역이 생깁니다. 이 압력 차이가 날개 면적 전체에 걸쳐 더해진 것이 양력입니다. 윗면의 공기가 빨라지는 것은 압력이 낮아진 결과로 함께 나타나는 현상입니다.
양력을 두고 베르누이의 원리로 설명해야 하느냐, 뉴턴의 운동 법칙으로 설명해야 하느냐는 논쟁을 자주 봅니다. 하지만 둘은 경쟁하는 설명이 아닙니다. 공기를 아래로 꺾는 것과 날개 위아래에 압력 차가 생기는 것은 같은 현상을 두 방향에서 본 것이고, 정확히 계산하면 같은 답이 나옵니다. 베르누이의 원리 자체도 맞습니다. 흐름 속에서 속도가 빠른 곳은 압력이 낮습니다. 틀린 것은 윗면 공기가 빨라지는 이유를 '동시에 만나야 하니까'라고 지어낸 부분입니다. 속도와 압력 분포를 정하는 것은 날개의 모양과 공기를 맞는 각도입니다.
날개가 다가오는 공기와 이루는 각도를 받음각이라고 합니다. 받음각을 키우면 공기를 더 많이 아래로 꺾어 양력이 커지지만, 한계가 있습니다. 일정한 각도를 넘으면 윗면을 따라 흐르던 공기가 날개 표면에서 떨어져 나가 소용돌이치고, 양력이 갑자기 줄어듭니다. 이것을 실속이라고 합니다. 실속은 엔진이 멈추는 것과는 상관이 없고 날개와 공기가 이루는 각도의 문제입니다. 그래서 조종사는 속도가 느려질수록 받음각이 커진다는 점을 늘 주의하고, 비행기에는 실속이 가까워지면 경고하는 장치가 달려 있습니다.
양력의 크기는 몇 가지 요인으로 정해집니다. 그중 속도는 제곱으로 효과를 내서, 다른 조건이 같다면 속도가 두 배가 될 때 양력은 약 네 배가 됩니다. 이 때문에 날씨가 덥거나 높은 곳에 있는 공항에서는 공기가 묽어 같은 양력을 얻는 데 더 빠른 속도가 필요하고 이륙 거리가 길어집니다. 비행기가 되도록 맞바람을 안고 이착륙하는 것도 땅 위 속도는 낮추면서 공기에 대한 속도는 확보하기 위해서입니다.
이륙과 착륙 때는 속도가 느려 순항할 때의 날개로는 양력이 모자랍니다. 그래서 날개 뒤쪽의 플랩과 앞쪽의 슬랫을 펼쳐 날개를 더 휘고 넓게 만듭니다. 창가 자리에서 이착륙 때 날개 뒤쪽이 길게 늘어나며 아래로 꺾이는 것을 볼 수 있는데, 바로 이 장치입니다. 높이 올라가 빠르게 날 때는 항력을 줄이려고 다시 접습니다. 여객기가 순항하는 고도 약 10킬로미터의 공기는 밀도가 해수면의 3분의 1 정도에 불과하지만, 빠른 속도로 이를 보충하고 묽은 공기 덕분에 항력도 줄어 연료를 아낄 수 있습니다. 정리하면 비행기는 날개로 공기를 아래로 꺾어 그 반작용으로 뜨는 것이며, 같은 시간 도착설은 기억에서 지워도 됩니다.
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