[Aerodynamic] 양력(Lift)의 발생 원리에 대해서 알아보자(베르누이법칙, 뉴턴, 매그너스 법칙) 1장

양력이란?

항공기에 작용하는 힘은 크게 4가지로 구분할 수 있다. 왼쪽 그림에서와 같이 항공기에 작용하는 중력과 반대 방향으로 작용하여 항공기가 뜰 수 있게 하는 힘이 양력이다. 공기를 가로지르는 날개의 단면은 우측 그림과 같이 에어포일 Airfoil의 형상으로 되어있다. 에어포일 Airfoil의 형태로 만들어진 날개가 양력 발생의 주 된 이유이다. 이렇게 발생된 양력이 중력을 이겨내게 되면 항공기가 지면에서 이륙 할 수 있게 되는 것이다.

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뉴턴 운동 법칙 Newtons's Basic Laws of Motion

https://owlcation.com/stem/Isaac-Newtons-Three-Laws-of-Motion

뉴턴의 운동법칙에는 3가지가 있다.

제 1법칙 : 관성의 법칙

제 2법칙 : 가속도의 법칙

제 3법칙 : 작용 반작용의 법칙

이중에서 항공기 날개에는 뉴턴 제 3법칙인 작용 반작용 법칙이 적용된다.

1.  날개 하단부에 공기가 부딪힌다
2.  흐르는 공기가 부딪힘에 따라 방향이 변한다
3. 운동 방향이 변함에 따라 이에 대한 반작용으로 날개를 들어올리는 양력이 발생한다.

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베르누이 법칙

베르누이 법칙에는 유체의 속도가 증가하면 압력이 감소하고 유치의 속도가 감소하면 압력이 증가하는 내용이다.

날개 Airfoil에 적용시키면 우측 그림과 같이 나타한다

날개 윗면에서의 공기 속도는 빠르고, 날개 아랫면에서의 공기는 느리기 때문에 베르누이 정리에 따라 날개 윗면에는 압력이 감소하고 날개 아랫면에서는 상대적으로 큰 압력이 형성이 된다. 이에 따른 압력 차이로 인해 위로 작용하는 힘이 발생하게 되는데 이를 양력이라고 한다.

 

하지만 베르누이 정리로 양력 발생의 원리를 모두 설명할 수는 없다.

예를 들어 일반적인 에어포일 형태가 아닌 대칭형 에어포일의 경우나 판자 형태의 에어포일은 베르누이 정리로 설명이 되지 않는다. 이부분은 뉴턴 제3법칙 작용반작용에 의해 설명해야 한다.

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매그너스 효과

매그너스 효과란 직관적으로 쉽게 이해하자면 회전하는 공이 휘는 것을 의미한다.

회전함에 따라 후면부에 기압의 방향이 변화하고 이에 따라 양력이 발생하게 된다. 이를 통해 양력발생을 설명할 수 있다.

이를 항공기 날개에 적용해보면 에어포일 상단에서 흐르는 공기의 속도가 더 빠르기 때문에 날개 후면에 회전하는 듯한 현상이 발생하고 이로 인해 매그너스 효과로 항공기 날개에 양력이 발생하게 되는 것이다.

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