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✈ 비행과 공부/비행이론

(Cessna172S ✈) Principles of Flight - Lift

by 하고싶은게비행 2020. 4. 26.

안녕하세요.

하고싶은게 비행✈ 인 사람입니다. 

 

 

 

FOI는 모든 교관과정을 준비하는 사람들에게 고역인 것 같아요. 

그래서 시간이 된다면

본격적으로 비행의 원리와 비행을 하면서 필요한 것들을 같이 포스팅 하려고 합니다. 

 

포스팅은

 

FAA-S-8081-6DS (Flight Instructor For Airplane SEL PTS) 에 맞춰서 작성 될 예정입니다. 

이 책은 학생에게 어떤 것들을 가르칠까를 적어놓은 비행교관들의 작은 책입니다.

 

교관과정은 설명을 해야 하는 단계이기 때문에 

처음 보시는 분들도 크게 어렵지 않게 설명을 하려고 노력할 것이나

이론만으로는 어려운 부분이 있어

혹시나 애매한 부분이나 

또는 틀린 점들은 댓글로 지적해 주시기 바랍니다. 

 

II. Technical Subject Areas

Task D : Principles of Flight

References : FAA-H-8083-3 (PTS) , FAA-H-8083-25 (PHAK)

Objective : To determine that the applicant exhibits instructional knowledge of the elements of principles of flight by describing : 

 

1. Airfoil design characteristics.

2. Airplane stability and controllability.

3. Turning tendency (Torque effect)

4. Load factors in airplane design.

5. Wingtip vortices and precautions to be taken.

 

 


비행기에 있어서 가장 중요한 것중 하나가 바로 Lift (양력) 입니다. 

뜨려는 힘이지요. 

여러가지 이론이 있고

말도 많은 양력.

PHAK 을 기반으로 양력에 대해서 설명하고 

추가로 더 알고 싶으신 분들을 위해

NASA 에서 설명하는 몇 가지 경우에 대해서도 따로 포스팅 하도록 하겠습니다. 

 

1. 정의

1) Airplane

먼저 Airplane 의 정의에 대해서 알아볼게요. 

(> PHAK G-2)

Airplane. 

An engine-driven, fixed-wing aircraft heavier than
air that is supported in flight by the dynamic reaction of air
against its wings

 

> 표준 국어 대사전에 나오는

비행기

동력으로 프로펠러를 돌리거나 연소 가스를 내뿜는 

힘에 의하여 생기는 양력() 이용하여 공중으로 떠서 날아다니는 항공기

 

일단 중요한 것은 양력을 통하여 공중을 떠서 날아다닌다는 겁니다. 

그리고 그냥 떠 있는 것이 아니라

조종할 수 있어야 하죠.

 

2) Lift (양력)

Lift (> PHAK G-17)

A component of the total aerodynamic force on an airfoil 
and acts perpendicular to the relative wind.

 

 

※ 부력

양력과 비슷한 것이 하나 있습니다. 

바로 부력이라는 것입니다. 

부력 : (> 표준 국어 대사전)

기체나 액체 속에 있는 물체가  물체에 작용하는 압력에 의하여 

중력() 반하여 위로 뜨려는 물체에 작용하는 부력이 중력보다 크면 뜬다

 

부력은 공기보다 가벼워서 뜨려고 하는 힘입니다.

예를 들면 물고기가 물 속에서 떠다니는 것은 부력을 이용한 것이지요. 

물보다 가벼워서 뜨게 되는 것입니다. 

 

그리고 이 열기구도 부력을 이용하여 뜨는 것이지요. 

 

양력은 어떠한 힘에 의해서 뜨는 힘이 만들어 지는 것입니다. 

 

 

 

쉽게 설명을 하면

비행기에서는 Aerodynamic force (공기력) 이 발생하게 되는데

Relative wind 에 수직하게 생성되는 힘을 말합니다.

 

PHAK 3-3

 

2. 비행기의 구조

 

다들 일반적인 비행기에는 날개가 달렸다는 것을 알고 있으실 거에요. 

날개는 바로 비행기를 구성하는 큰 요소중에 하난데

양력의 생성 원리를 알고자 하면 

비행기가 어떻게 구성되어 있는지도 알아야 합니다.

 

 

PHAK 3-4

 

1. Powerplant : Engine 이 들어가는 곳

2. Landing Gear : Cessna 의 경우는 접을 수 없는 고정 Landing gear 입니다.

3. Fuselage : 비행기의 몸뚱이

4. Empennage : (이건 살짝 애매해서 PHAK 의 내용을 가지고 왔어요)

 The section of the airplane that consists of the
vertical stabilizerthe horizontal stabilizer, and the associated
control surfaces.

5. Wing

비행기는 큼지막하게 이렇게 구성되어 있습니다.

 

 


 

3. 본격적인 양력의 생성

1) Airfoil ⊃ Wing

Airfoil  (> PHAK G-2)

Any surface, such as a wing, propeller, rudder, or
even a trim tab, which provides aerodynamic force when it
interacts with a moving stream of air.

 

Wing 은 Airfoil 의 한 종류 입니다. 

Airfoil 은 위의 설명과 같이 공기력을 만들어 내는 것 중 하나입니다. 

실제로 비행기에서 Wing 과 같은 원리로 하는 것들은 여러군데 있습니다 .

Propeller 는 뒤로 양력을 생성하는 것이고

Rudder 는 좌/우로

Elevator 는 상/하로 양력을 만들어 내죠. 

이렇게 비행기는 공기력을 통하여 모든 것들을 컨트롤 하게 됩니다. 

 

2) 이 Wing의 단면은 어떻게 생겼을까?

 

 

 

일단 Wing 의 단면입니다.

용어 딱 세 가지만 알고 갈게요

 

하나는 Chord Line : Leading edge 와 trailing edge 를 이은 가상의 선

둘째는 Relative wind : 바람이 비행기에게 가는 것이 아니라

비행기가 공기를 가르고 앞으로 가는 것입니다. 그 때의 상황을 예를 들어보면

만약 제가 앞으로 100km로 가고 있을 때의 상황과

저는 가만히 서 있고 앞에서 100km의 바람이 불어오는 것과 같겠죠. 

이렇게 Relative wind 는 

비행기가 가는 곳에 아무런 바람이 불지 않는다고 해도 비행기는 

비행기가 가는 속도로 바람을 맞고 있습니다. 

이것이 Relative wind 입니다.

그리고 세 번재

Angle of Attack (AOA) : 위의 두 개의 각도 입니다. 

 

이 AOA 가 커질 수록 (어느 지점까지) 양력은 많이 생성되게 됩니다. 

아래의 공식에 따라서 말이죠. 

Lift 는 CL (AOA & wing shape), 밀도, 속도, 날개의 면적 에 따라 커집니다

 

AOA 커지면 위의 공식에 따라서 양력이 많이 생성되는건데

AOA 가 커진다고 해서 왜 양력은 커지게 되는 것일까요? 

 

3) Wing 을 통해서 어떤 방식을 통해 Lift 가 만들어 질까?

 

PHAK 에서는 두 가지 경우를 설명하고 있습니다. 

1. 베르누이의 정리

2. 뉴턴의 작용 반작용

 

① 베르누이의 정리

먼저 베르누이 정리 입니다.

공식은 따로 쓰지 않을게요. 

베르누이의 정리를 위한 조건도 달지 않을게요. 

정말 그냥 단편적으로 쉽게 말해서 

저 관에 유체가 흐르고 있을 때 

갑자기 좁아지는 곳을 만났습니다

그렇게 되면

좁아지는 곳에서는 더 빠른 속도로 유량이 흐르게 됩니다. 

그러면서 압력은 주변보다 낮아지게 되는 것이지요. 

 

물 호스로 마당에 물을 줘 보신 적 있나요? 

그 때 끝을 꼬옥 쥐어주면 더 멀리가잖아요? 그거랑 같은 원리 입니다. 

 

이렇게 넓은 곳에서 좁아지는 곳으로 가면 같은 유량이 흘러야 하기 때문에 더 빠른속도로 움직입니다.

이제 저기 베르누이 관을 반으로 잘라 볼게요. 

 

이 부분이 바로 저 Wing 의 단면과 같이 생겼죠? 

그리고 좁아진 단면에서 속도는 빨라지고 압력은 낮아진다고 했어요. 

그럼 Wing 의 윗부분은 아래쪽보다 압력이 낮겠죠? 

 

일반적인 상황에서 

모든 것들은 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 흐르게 되어 있습니다. 

압력도 높은 곳에서 낮은 쪽으로 흐르지요

낮은 압력의 아래쪽에서 위쪽으로 공기는 흐르게 됩니다. 

그렇게 비행기는 뜨게 되죠. 

 

② 뉴턴의 작용 반작용 법칙

두 번째는 뉴턴의 작용 반작용 입니다. 

모든 작용에는 반작용이 따릅니다. 

우리가 발을 뒤로 차기에 몸이 앞으로 나가는 것 처럼 말이죠. 

Wing 표면을 따라 공기는 Leading edge 에서 갈라지고 Trailing edge 에서 만나게 되어 있습니다. 

(왜냐면 바람이 불어오는게 아니라 

비행기가 바람을 갈라서 가기 때문입니다)

Camber of upper surface 에서는 공기가 아래쪽을 향해서 내려갈 것입니다. 

Downwash 라고 하죠. 

이 힘의 반작용으로 비행기는 양력을 만들게 됩니다. 

Downwash 는 좀 어려운 개념이 될 수도 있어요. 

그렇지만 그냥 단순하게 생각해서

Camber 윗면에서 아래쪽으로 Downwash가 생기고

그의 반작용으로 양력이 생성된다고만 아시면 돼요. 

 

Lift 는 CL (AOA & wing shape), 밀도, 속도, 날개의 면적 에 따라 커집니다

양력은 저 두 원리에 의해서

위의 공식을 따라 저렇게 생기게 됩니다. 

 

그리고 만들어지는 양력이 

비행기의 무게보다 크다 라고 하면

상승하는 가속도를 만들어내게 됩니다. (상승하게 되는 것이지요) 

 

비행기가 빠르게 앞으로 갈 수 있다면 양력이 많이 생성되게 됩니다. 

그리고 유독 속도만 제곱승에 비례해서 커지게 됩니다. 

 

그런데

밀도, 면적, CL (Coefficient of Lift : AOA, wing shape) 

를 통해서도 양력은 커지게 됩니다. 

그렇기 때문에

조금이라도 더 효율적인 비행기를 만들기 위해서

여러가지 Wing shape 가 존재합니다.

 

화살표는 실속이 걸리는 순서

이런식으로 말이죠. 

 

 


정리하자면

- 양력은 Airfoil 에 작용하는 Relative wind 에 수직한 힘입니다

- Lift 공식은 외워두면 편합니다 (플랩의 사용이나 상황의 변화 등에서)

- 양력을 변화시키는 것은 공기의 밀도, 날개의 면적, AOA, 날개모양, 속도 입니다.

- 양력을 만들어내는 원리는 베르누이의 정리와 뉴턴의 작용 반작용 법칙입니다

 

 

 

낯선 개념을 설명하는 것은 항상 좀 어렵지요. 

정말 쉽게 주변에서 느낄 수 있는 경우가 있습니다. 

(부모님이 손잘린다고 말하지 않으시면)

창문을 열고 손을 밖으로 뻗어

손바닥을 살짝 오므린 상태에서 그리고

살짝만 대각선 위앞을 보게 해 보세요. 

그러면 손이 뜨는 느낌을 받으실 수 있을거에요. 

 

그것이 바로, 

양력 

입니다

 

 

 

 

 

잘하고 계시고

좋은 결과 나올 거에요.

항상 열심히 하시는거 알고 있어요.

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