모양이 양력에 미치는 영향

양력계수는 모양이 양력에 미치는 영향을 나타낸다.

물체에 발생하는 양력의 크기는 흐름의 전환이 얼마큼 생기는가에 좌우하는데, 흐름의 전환은 물체의 모양에 결정된다. 보통 양력은 물체 모양에 관련한 복잡한 함수다. 공기역학자는 보통 풍동 실험으로 결정되는 양력 계수(lift coefficient)를 이용하여 물체 형태가 미치는 영향을 나타낸다. 일부 단순한 형태라면 양력 계수를 계산할 수 있는 공식을 만들 수 있다.

대학 신입생은 가장 간단한 형태인 2차원의 쿠타-주콥스키(Kutta-Joukowski) 날개골을 공부한다. FoilSim 컴퓨터 프로그램은 학생들이 쉽게 사용할 수 있는 해석 결과를 제공한다. 해석 결과를 보면 흐름의 전환이 커지면 날개골에 발생하는 양력도 커진다.

대칭형 날개골(Airfoil)과 캠버형 날개골의 비교

위 그림은 다른 날개골 두 개의 흐름을 보여준다. 왼쪽 날개골은 중앙의 흰색 선을 기준으로 위쪽과 아래쪽 모양이 같은 대칭형 날개골(symmetric airfoil)이다. 오른쪽 날개골은 뒷전 부근이 휘어져 있다. 각 그림의 노란색 선은 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하는 흐름의 유선(streamline)을 나타낸다.

왼쪽 그림은 흐름 전환이 없어 양력이 없다. 오른쪽 그림을 보면 흐름의 전환이 크게 생기고 큰 양력이 발생한다. 두 날개골의 앞부분은 거의 같다. 오른쪽 날개골의 뒷부분은 흐름을 크게 전환한다.

날개(Wings)의 조종면으로 항공기를 조종하는 원리

위의 예시를 보면 항공기를 조종하기 위해 경첩으로 연결된 부분이 왜 날개 뒷부분에 있는지 알 수 있다. 뒷부분을 아래로 내리면 더 많은 양력을 발생시키는 오른쪽 그림과 비슷해진다. 이와 비슷하게 뒷부분을 위로 올리면 더 작은 양력 또는 음의 양력이 발생한다.

조종사는 날개의 어느 부분에 발생하는 양력을 조절하여 비행기를 조종하는 것이다. 다음 내용은 조종면의 움직임에 따른 항공기의 운동을 나타낸 것이다.

• 승강키(elevator)는 키놀이(pitching) 운동을 조종
• 방향키(rudder)는 빗놀이(yawing) 운동을 조종
• 도움날개(aileron)는 옆놀이(rolling) 운동을 조종

가상 실험(Simulation)

자바 가상 실험을 통해 날개골 모양이 양력이 미치는 영향을 살펴보자. NASA 사이트에 가서, 아래 내용대로 실험하고 결과를 확인하자.

 

• 캠버(camber)를 0으로 설정하고 양력의 크기를 기록한다.
• 이제 캠버를 5%로 늘린다. 양력이 증가했는가 아니면 감소했는가?
• 캠버를 -5%로 설정한다.
  • 양력은 얼마인가?
  • 날개골은 어느 쪽으로 힘을 받는가?