양력은 흐름의 회전으로 발생한다.

양력은 어떻게 발생하는가?

흐름의 전환에 의한 양력

비행기 날개, 회전하는 원통, 회전하는 공, 평판을 포함한 다양한 물체에서 양력이 발생한다. 양력은 항공기를 공중에 떠 있게 하는 힘이다. 비행기의 모든 부분에서 양력이 발생하지만 일반 항공기의 양력 대부분은 날개에서 발생한다.

양력은 어떻게 발생하는가?

$$힘 = 질량 × 가속도$$

양력은 힘이다. 뉴턴의 제2법칙에서 질량(m)이 가속(a)할 때 힘(F)이 발생한다.

$$F = m \times a$$

가속도는 시간(t) 변화에 대한 속도(V)의 변화다.

$$F = m \times \frac{V_1 - V_0}{t_1 - t_0}$$

위 관계식은 계차 방정식으로 나타낸 것이지만 실제는 미분 방정식이다.

$$F = m \frac{dV}{dt}$$

중요한 사실은 힘은 속도를 변화시키고, 마찬가지로 속도의 변화는 힘을 발생시킨다는 것이다. 어느 것이든 위 방정식으로 구할 수 있다. 속도(velocity)는 속력(speed)이라고 부르는 크기와 방향을 모두 가진다. 과학자와 수학자는 이것을 벡터(vector) 양이라고 한다.

따라서 흐름의 속력이나 방향을 바꾸려면 힘을 가해야 한다. 그리고 흐름의 속력이나 방향이 바뀌면 힘이 발생한다.

움직이는 유체에서 발생한 양력

움직이는 유체에 잠긴 물체를 예로 들면 유체는 물체 표면에 접촉한 상태다. 물체의 모양, 움직임, 기울어짐으로 흐름의 방향이 바뀌면 국부 속도의 크기나 방향 또는 둘 다 변한다. 속도의 변화로 물체에 힘이 작용한다. 유체 분자는 자유롭게 움직이며 고체와 접촉한 상태이므로 유체가 전환한다는 것은 매우 중요하다. 고체의 어떤 부분도 흐름에 변화를 줄 수 있다. 다가오는 흐름과 마주 보는 부분을 '바람이 불어오는 쪽(windward)'이라 하고, 흐름이 멀어지는 쪽에 있는 부분을 '바람이 불어가는 쪽(leeward)'이라고 한다. Windward와 leeward모두 흐름에 변화를 준다. Leeward의 변화를 무시함으로 인해 유명하지만 잘못된 양력 이론이 나왔다.

대화식 가상 실험

현재 IT 보안 문제 때문에 자바 애플릿을 실행하는데 문제가 있다. 보안 설정하는 방법이 나와 있으나 쉽지 않으니, 아래 그림을 참조하자.

공기 흐름 속에 노란색 평판이 있다. 작은 파란색 선과 흰색 선으로 표시된 공기는 왼쪽에서 오른쪽으로 움직인다. 평판이 어떤 각도로 기울어져 있고 평판 위아래의 흐름이 평판을 따라 모두 휘어지는 것을 주목하자. 흰색 실선은 평판을 가로 지르는 유선(streamline)으로서 정체 유선(stagnation streamline)이라고 한다.

속력이나 방향의 변화

양력은 흐름의 전환으로 발생되는 힘이다. 힘은 벡터양이므로 크기와 방향을 모두 가진다. 양력의 방향은 초기 흐름에 수직이라고 정의한다. (항력은 흐르는 방향을 따라 작용한다.) 양력의 크기는 물체와 흐름에 관련된 몇 가지 요소로 결정된다.

양력과 항력은 물체와 유체의 상호 작용으로 물체 표면에 발생하는 기계적인 힘이다. 유체에 의한 힘은 물체 표면 전체에 작용하는 압력으로 생긴다. 움직이는 유체 속의 물체에 작용하는 압력은 유체의 운동량(질량×속도)에 따라 바뀐다. 위에서 언급한 것처럼 흐름의 편향으로 물체 주위의 속도도 바뀐다.

 

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Lift from Flow Turning