부정확한 양력이론 #2

양력의 발생 원리를 설명하는 이론은 많다. 불행히도 백과사전, 웹사이트, 심지어 일부 교과서에 있는 많은 이론이 부정확해서 학생들을 헷갈리게 한다.

날개골의 반작용력

여기서 설명하는 이론은 웹 사이트와 유명한 문헌에서 종종 볼 수 있다. 이 이론의 바탕은 공기 중을 움직이는 날개골의 밑면에 부딪히는 공기 분자에 대한 반작용력이 양력이라는 것이다. 작은 각도로 던진 납작한 돌이 물 위를 튀면서 건너가는 것과 비슷하므로 "물수제비(skipping stone)" 이론이라 한다. 이 이론은 뉴턴의 제3법칙을 포함하므로 종종 양력의 뉴턴 이론이라 부르지만, 흐름 전환에 의한 올바른 뉴턴 이론과 혼동되므로 "물수제비" 이론이라 불러야 한다.

흐름

이 이론이 어떻게 잘못되었는지 살펴보기 전에 올바른 흐름 공식으로 만든 자바 가상실험을 이용해 두 가지를 살펴봄으로써 날개골 주변의 실제 흐름을 알아보자.

실험

NSAS 사이트에 가서 아래 내용을 따라 실험해 보세요.

• 각도(Angle-deg)를 7.5에 맞추고 Velocity, Airfoil 단추를 누른다.
• 오른쪽의 측정자(Probe) 슬라이더를 이용하여 보라색 점을 가능한 왼쪽으로 움직이고 상류의 속도를 확인하라.
• 측정자를 날개골의 아랫쪽 두꺼운 부분에 놓자. 그 지점의 속도는 얼마인가?
• 측정자를 날개골의 윗쪽 두꺼운 부분에 놓자. 그 지점의 속도는 얼마인가?
• 양력은 얼마인가?

물수제비이론 실험 1-1

• 받음각을 -7.5로 바꾼다. 양력은 얼마인가?
• 측정자를 이용하여, 같은 조건에서 압력이 높은 곳은 어느 쪽인지 알아보자.

물수제비이론 실험 1-2

물수제비 이론

금방 배운 정보를 이용하여 "물수제비" 이론을 평가해 보자.

• 이 이론은 움직이는 물체의 아랫면과 공기의 상호 작용만 고려한다. 모든 흐름의 전환(즉 모든 양력)은 물체의 밑면 때문에 생긴다고 생각한다. 그러나 실험에서 봤듯이 윗면도 흐름을 전환시킨다. 사실 날개골로 발생하는 내리흐름을 고려하면 흐름의 전환은 아랫면보다 윗면의 영향이 크다. 이 효과를 "물수제비" 이론으로 예측하거나 설명할 수 없다.
• 이 이론은 윗면에 부딪히는 공기 분자의 작용과 반작용을 무시하므로 실험에서 받음각이 음(-)일 때 발생한 음의 양력을 예측할 수 없다. 날개골의 위쪽에는 진공이 존재하지 않는다. 분자는 윗면에서 계속 일정하고 무작위로 움직이고(아랫면도 동일) 마찬가지로 분자가 표면에 부딪히고 날개골에 힘을 가한다.
• 이 이론은 날개골의 윗면을 전혀 고려하지 않는다. 따라서 이 이론에 따르면 윗면은 다르지만, 아랫면이 같은 두 날개골에 같이 양력이 발생한다고 예상할 수 있다. 우리는 실제로 그렇지 않다는 것을 안다. 사실 많은 여객기에 있는 스포일러라는 장치는 날개 윗면에 앞전과 뒷전 사이에 있다. 스포일러는 윗면 흐름을 교란해 날개의 양력을 변화시킴으로써 항공기를 움직인다. 이 효과를 "물수제비" 이론으로 예측하거나 설명할 수 없다.
• 주어진 부피의 공기 밀도와 분자 수에 관한 지식을 이용하여 이 이론으로 예측한 양력과 실제 측정값을 비교하면 부정확하다. 이 이론이 가진 주요 문제점은 유체의 물리적 특성을 무시했다는 것이다. 양력은 움직이는 유체의 전환으로 발생하고 고체의 모든 부분은 유체의 방향을 바꿀 수 있다.

비행 조건

그러나 이 이론이 완전히 틀린 것은 아니다. 속도가 매우 빠르고 밀도가 매우 낮은 비행 상황이면 날개골 윗면에 부딪히는 분자는 거의 없고 뉴턴 이론으로 매우 정확한 값을 예측할 수 있다.

우주선이 50마일(약 90km)보다 높은 고도에서 10,000mph(약 16,000km/h, 극초음속) 이상의 속도로 대기권에 재진입하는 초기 단계가 이 조건에 해당한다. 이 상황에서는 "물수제비" 이론은 잘 맞는다. 그러나 일반 비행 조건(35,000ft, 500mph)의 여객기 대부분은 이 이론에 맞지 않는다.

 

원문 보러가기

Skipping Stone Theory Interactive - Glenn Research Center | NASA