비행기의 작동원리
비행기가 어떻게 작동하는지를 이해하기 위해서는 먼저 공기역학에서의 네 가지 기본적인 힘을 알아야 한다. 그것은 항력(잡아당기는 힘)과 추력(미는 힘), 중력, 양력(뜨게 하는 힘)이다. 어떤 물체가 공기나 물과 같은 유체 속을 통과하려면 도중에 있는 유체를 밀고 나가야 한다. 유체 속에서 길을 낼 때 사용되는 에너지가 항력을 만든다. 도로를 달리고 있는 자동차 안에서 창문 밖으로 손을 내밀면 손이 만드는 항력을 느낄 수 있다. 올림픽에 나온 스키 선수들이 활강하는 모습은 항력을 줄이는 좋은 예이다. 그들은 기회가 있을 때마다 최대한 몸을 구부린다. 자신을 "더 작게" 만들어 자신이 만다는 항력을 줄여 언덕을 좀 더 빨리 질주하려는 것이다. 항공기는 이륙을 하고 나면 항력을 줄이기 위해서 항상 랜딩 기어를 다시 집어넣는다. 활강하는 스키 선수처럼 조종사는 가능한 한 비행기의 크기를 줄여 공기 속을 운항하려고 한다. 제트기의 랜딩 기어가 만드는 항력은 아주 크다. 추력은 비행기가 항력을 이기고 계속 공기 속을 운항하게 만드는 힘이다. 비행기는 프로펠러나 제트 엔진 혹은 로켓을 이용해서 추력을 만든다. 프로펠러는 날개를 이용해서 바람을 잡아당기는 강력한 대형 선풍기이다. 글라이더는 추력을 만드는 장치가 없는 비행기다. 그 대신 글라이더는 위치 에너지를 앞으로 진행하는 동력으로 변환시킨다. 중력, 즉 무게는 우리가 물건을 들어 올릴 때마다 항상 경험하기 때문에 공기역학의 힘 중에서 가장 이해하기 쉽다. 지구상의 모든 물체(공기를 포함해서)는 무게를 가지고 있다. 일반적인 747기는 무게가 735톤에 달하는데, 활주로를 문제없이 달려 나간다는 것은 정말 놀라운 일이다. 양력은 무게를 이기고 비행기가 공중에 떠 있게 하는 공기역학의 힘이다. 비행기에서는 공중에 떠 있는 데에 필요한 양력의 대부분을 날개가 만든다. 비행기가 일정한 높이와 속도로 운항하려면 다음과 같은 관계식이 성립되어야 한다. <추력=항력, 양력=무게> 만일 어떤 이유로 항력이 추력보다 커진다면 비행기의 속도는 떨어질 것이다. 또 만일 추력이 증가해서 항력보다 커진다면 비행기의 속도는 빨라질 것이다. 마찬가지로 만일 양력이 비행기의 무게 이하로 떨어진다면 비행기의 고도는 낮아지게 된다. 이때 조종사는 양력을 높여야만 비행기의 고도를 다시 높일 수 있게 된다.
날개와 양력
날개는 비행기의 가장 중요한 부분이다. 날개야말로 비행기를 공중에 떠 있게 하는 일을 하며 비행기에서 가장 흥미로운 부분이다. 발명가와 기술자들이 양력을 만들 수 있는 표면구조를 이해하기 까지에는 수백 년의 세월이 걸렸다. 날개에서는 두 가지가 양력을 만드는 데에 중요한 역할을 하는데, 날개의 단면과 올려본 각이 그것이다. 날개의 단면은 날개의 성능을 결정짓는다. 어떤 날개들은 저속에서 성능을 잘 발휘하고 어떤 것들은 고속에서 성능을 잘 발휘한다. 또 어떤 날개들은 초음속에서 성능을 잘 발휘하지만 다른 것들은 그렇지 못하다. 날개의 모양은 공기 속을 지나갈 때 공기분자가 날개 위로 흐르는 상태를 결정하기 때문에 아주 중요하다. 비행기라고 하면 머릿속에 금방 떠오르는 에어포일 형(비행기 날개 모양으로 일반적으로 위는 곡선 아래는 직선으로 되어있다)이 있다. 그러나 그런 에어포일 형이 양력을 만들기 위해서 꼭 필요한 형태는 아니라는 것을 이해하는 것이 중요하다. 거꾸로 날면서 곡예비행을 하는 비행기는 보통의 에어포일보다는 단면이 서로 대칭인 날개를 가지는 경우가 많다. 또한 정상적인 에어포일 형을 가지고 있는 비행기도 거꾸로 비행할 수 있다. 여기에서 핵심은 올려본 각이다. 자동차 창문 밖으로 손을 내민 채 도로를 달려보면 올려본 각이 어떻게 작용하는지 알 수 있다. 바람을 향해서 손의 각도를 변화시켜 보면 손을 밀어 올리거나 밀어내리는 힘을 만들 수 있다. 손에 커다란 판지를 붙인 후 판지의 각도를 조절하면 팔을 들어 올릴 수 있는 힘을 만들 수 있다는 것도 상상할 수 있을 것이다. 날개가 양력을 만드는 것은 이와 똑같은 효과를 이용하는 것이다. 판지보다 우리가 보통 보는 에어포일 형(혹은 대칭형인 날개)이 유리한 점은 많은 항력을 발생시키지 않으면서 공기 속을 미끄러져 나아갈 수 있게 한다는 점이다. 날개의 형태는 공기가 아래쪽으로 비껴나가도록 설계되어 있다. 공기가 아래로 비껴나갈 때 날개 주위에 상대적으로 높은 압력을 받는 부분과 낮은 압력을 받는 부분이 만들어진다. 날개의 위아래 양쪽 모두의 표면은 공기를 아래쪽으로 유도하도록 만들어져 있다. 날개 윗부분이 공기를 아래로 잡아내리면 날개의 위는 상대적으로 낮은 압력을 받게 되고, 날개 아랫부분이 공기를 밑으로 밀어내리면 날개 아래에 높은 압력을 받는 부분이 만들어진다. 그 결과 날개에 양력이 발생하게 되는 것이다. 실제로 날개 주위의 압력 분포와 압력이 만드는 양력의 크기를 정확하게 계산하는 것은 상당히 어려운 일이다. 정밀한 유체역학용 컴퓨터 모델을 이용하면 양력을 계산하기가 좀 더 쉽기는 하지만 대부분 양력 계산은 아직까지도 기술자들이 수많은 에어포일형에 대한 풍동 실험에 의해서 얻은 경험적 데이터에 기초를 두고 있다. 기술자들은 이러한 데이터를 이용해서 다양한 비행상황에서 에어포일이 발생시킬 수 있는 양력과 항력의 크기를 유추해서 계산한다. 에어포일의 양력계수는 공기의 속도와 공기의 밀도, 날개의 면적 그리고 올려본 각이 양력을 만드는 관계를 숫자로 나타낸 것이다. 어떤 한 에어포일의 양력계수는 올려본 각에 의해서 결정된다.