가. 탐구하게 된 동기



항공기는 그동안 짧은 세월에 많은 발전을 해왔다. 옛날에는 꿈도 꾸지 못한 초음속 여객기와 전투기가 다니는 시대가 왔다. 라이트 형제가 첫 비행을 했을 때의 비행기가 발전하여 이렇게 빨라진 항공기가 어떻게 나는지 실험을 해보고 싶었다. 


또한 아직 개발이 더딘 비행기가 22세기가 되면 새로운 디자인이 많이 나오고 지금의 모양새와 많이 다를 것 같다는 예상을 한다. 그런 비행기를 심층 분석을 하여서 비행기가 어떻게 날고, 착륙을 하는지 실험을 통해 알아보고 느낄 것이다. 


비행기의 날개는 ‘에어포일’이라는 형태를 가지고 있다. 에어포일(air foil)은 비행기의 날개를 뜻하는 말이다. 만약에 다른 방식으로 탑승하는 비행기가 나온다면 그 비행기의 날개를 만들어야 한다. 그 비행기는 지금도 기술만 있으면 실현이 가능하다. 


그리고 비행기는 날개의 형식에 따라 태울 수 있는 승객도 줄이거나 늘릴 수 있다. 그러니 우리는 다양하게 날 수 있는 방식을 찾아야 한다. 

앞으로 20년 후면 미국의 ‘보잉’ 이라는 비행기 제작사도, 새로운 비행기 b797의 디자인도 나올 예정이다. 이렇듯 비행기의 날개도 많이 변하고 있다. 이런 비행기는 일반 비행기랑 많이 달라서 날기도 어려울 것이다. 

특히 ‘비행기의 날개의 부분에 b797처럼 다양한 형태의 비행기가 있으면 얼마나 좋을 까?’ 라는 생각도 해보았다.


요즘, 국내 항공사들은 더 좋은 서비스를 위해 더 많은 비행기를 사용하고 있기 때문이다. 


난 이 궁금증을 제주도로 가는 비행기에서 얻었다. '제주도까지 비행기를 타고 갈 때, 날개에서 어떤 장치가 내려올까?'라는 궁금증에서 이번 탐구가 시작이 되었다.


나. 탐구를 통하여 알아보고 싶은점


1. 동력이 있는 비행기에 작용하는 힘



비행기가 날기 위해서는 대표적으로 4가지의 힘이 필요하다. 그 힘은 바로 양력, 추력, 항력, 중력이다. 이 4가지 힘이 없으면 비행기는 날 수 없게 된다.


ㄱ. 양력(Lift)


양력은 날개가 공기 속을 지나갈 때 날개의 윗면과 아랫면의 발생하는 공기의 압력 차로 비행기가 날게 해 주는 힘이다. 그래서 라이트 형제가 많은 시행 착오를 거쳐서 첫 비행을 할 때 양력의 과학의 원리를 이용하여 성공하였다. 비행기는 바람이 센 높은 고도에서도 압력을 적게 받기 위해 ‘코안다 효과’가 적용이 되어 있다. 만약에 비행기가 둥근 날개만 있으면 어떨까? 그렇다면 비행기가 하늘을 날기 위해 먼 거리를 빠르게 이동을 해야 할 것이다. 


이 때 비행기에서 쓰는 장치가 ‘플랩’ 이라는 장치이다. 플랩은 비행기가 이,착륙을 할 때 활주로에 있는 거리를 줄여주는 장치 중에 하나이다. 비행기는 이 플랩의 도움으로 더 짧은 거리를 가고도 이륙을 할 수 있는 것이다. 

플랩을 길게 설명하면 '고양력장치'라고 할 수 있다. 이유는 고양력은 '높은 양력을 준다'는 뜻이기 때문이다. 


그리고 비행기가 수평으로 날기 위해서는 양력과 중력이 같고, 추력과 항력이 같아야 한다. 만약에 양력이 없다면 중력으로 인하여 비행기는 땅으로 추락을 할 것이다.


1) 고양력장치



2) 플랩(Flap)

플랩(Flap)은 비행기의 날개 앞과 뒤에만 존재를 한다. 플랩은 보통 앞과 뒤에 있는 플랩을 가장 많이 쓴다. 플랩이 하는 일은 비행기의 활주거리를 줄여주어서 이, 착륙을 편하게 하도록 도와주는 역할을 한다. 


3) 슬랫(SLAT)

슬랫은 비행기의 앞에 있는 플랩을 뜻한다. 슬랫은 플랩이 펼쳐지면 자동으로 나온다. 평소에는 날개의 일부분처럼 붙어 있다가 나오는 것이 대부분이다. 따라서 이 슬랫도 작은 사이즈의 플랫이라고 보면 된다. 


4) 슬롯(Slot)

슬롯은 비행기 날개 앞에 있는 장치이다. 이 슬롯의 성질을 적극적으로 활용을 하면 짧은 거리에서도 이륙할 수 있는 비행기를 만들 수 있다. 


ㄴ. 중력(Weight)


중력은 지구가 끌어당기는 힘이다. 우리의 몸무게는 모두 중력에 의하여 빠지고, 찐다. 그 뜻은 몸무게가 많이 나갈수록 지구가 끌어당기는 힘이 더 크다는 뜻이다. 따라서 비행기는 중력에 의한 착륙을 한다. 이를 위해, 그 무게를 감당을 할 수 있는 엔진과 장비를 개발을 하게 된다. 


ㄷ. 추력(thrust) 


지금까지 비행기가 나는 것에 대한 것을 알았다면, 이젠 비행기가 앞으로 나아가는 힘, 추력에 대하여 알아본다. 

추력은 비행기가 움직이는 힘이다. 추력과 항력이 있어야만 앞으로 나아갈 수 있다. 추력은 비행기의 연료를 소모하면서 가는 것이다. 

만약에 비행기의 엔진이 고장이 나면, 그 비행기는 추력을 1개 잃고 비행을 하게 되는 것이다. 하지만 추력은 엔진이 1개 이상이면 1개가 고장이 나도 다른 엔진의 추력이 비행기를 뜨게 하여서 날 수 있다. 


ㄹ. 항력(drag)


항력은 비행기에 부딪히는 공기의 힘이다. 속력이 빨라질수록 공기 중에서 나는 비행기는 공기와 부딪히며 저항을 받는다. 이 힘이 항력이다.

항력을 줄이려면 우선 동체와 날개를 가능한 납작하게 하면서 매끄럽게 해야 하지만, 사람이 내부에 타야 하기 때문에 적당한 선에서 타협을 할 수 밖에 없다. 



2. 탐구실행 방법





ㄱ. 베르누이의 정리 


베르누이의 정리는 비행기의 양력이 발생하는 원리를 설명한 것인데, 비행기 날개의 위쪽은 약간 굴곡이 져있기 때문에 공기의 흐름이 빨라져 압력이 작아지고, 날개 아래쪽은 직선으로 돼있어 공기의 흐름이 느려 압력이 크다. 따라서 압력이 작은 쪽으로 이끌려 위로 올라가는 힘인 양력이 발생하여 비행기가 떠오를 수 있다는 것이다. 즉, 기압차가 생기기 때문에 비행기 날개가 위로 들어 올려지는 것이다.   



ㄴ. 코안다 효과 


코안다 효과는 공기나 물이 벽에 부딪히며 벽을 따라 흐르는 원리를 말한다. 테니스 선수가 공을 짧게 치는 기술도 이 코안다 효과 때문이다. 그리고 축구선수가 프리킥을 찰 때에도 공을 쓸 듯이 차서 공이 수비벽을 뚫게 만드는 것이다. 이것은 베르누이의 법칙 중에 1가지이다. 혹시 태풍이 오는 날 우산이 위로 올라가려는 것을 본 적이 있는가? 이 태풍 바람은 분명히 우산의 윗부분에서 발생을 하는데, 왜 위로 날려고 할까? 그 이유는 비행기의 날개에 있다.

비행기는 비행 중에 위쪽은 공기가 빠르게 흐르고, 아래쪽은 공기가 천천히 흘러 날게 하는 것이다. 만약에 코안다 효과가 없었다면 동그랗게 생긴 비행기가 뜨지도 못하는 신세가 되었을 것이다. 



3. 탐구를 통하여 알게 된 점


비행기가 어떤 원리로 하늘 높이 날 수 있는지 관심이 많았다 그래서 책을 보던 중 과학의 작용 원리을 배웠다. 그 법칙은 바로 베르누이의 법칙과 코안다 효과였다. 


코안다 효과는 공기 같은 물질이 그 벽을 따라 움직이거나 흐르는 것을 뜻하고, 비행기의 둥근 날개에 의한 것이다. 베르누이의 정리는 그 공기의 흐름을 따라서 비행기는 윗부분과 아랫부분의 압력의 차로 나는 것이다. 

그러면서 비행기는 윗부분의 공기는 점점 빨라지면 아랫부분의 압력으로 비행기는 올라간다. 이 때문에 비행기의 날개는 둥글게 생긴 것이다. 

앞에서 말했듯이, 비행기는 날개 윗부분의 압력으로 날면 더 빨리 뜨게 해주는 장치가 있다. 


그 장치가 바로 플랩이다. 플랩은 밑으로 내려온 공기를 각도에 따라 코안다 효과를 사용하여 뜨게 하는 원리이다. 코안다 효과는 공기나 물이 벽을 따라 흐른다는 뜻으로, 공기는 플랩을 벽삼아 나는 원리이다. 


이제 비행기의 추력을 복습한다. 추력은 비행기가 앞으로 나아가는 힘이다. 추력은 엔진이 비행기에 실린 연료를 쓰면서 나아가는 것이다. 추력은 1개가 엎으면 또 다른 엔진이 있다면 극복할 수 있는 것이다. 

공기가 비행기에 부딪히는 힘인 항력을 복습하여 본다. 항력은 비행기가 얇고 매끄러워야 한다. 하지만 사람이 내부에 타야해서 적당한 선에서 얇고 매끄러워야 한다. 


만약에 비행기가 네모난 모양이면 이 항력도 엄청나게 세서 아마도 힘이 엄청 센 엔진이 필요할 것이다. 다음에는 우리의 몸무게, 중력을 복습한다. 

중력은 비행기에게는 극복해야 될 가장 중요한 요소 중에 1가지이다. 만약 비행기에 중력만 있다면 비행기는 그냥 빠른 고속열차에 그쳤을 것이다. 중력은 지구가 물체를 끌어당기는 힘이여서 중력을 극복하지 않는 이상은 비행은 불가능 할 것이다. 


이렇게 비행기는 날기 위해서 많은 것을 극복하고 또 이겨내야 한다. 이런 연구를 계속하다 보면 우린 언제나 새로운 것을 찾기에 마련이다. 



4. 현대비행기의 제작사


20세기에는 비행기 시장에 뛰어든 두 신규 회사가 있었다. 그 회사는 바로 에어버스(Airbus)와 보잉(Boing) 이었다. 

각자 첫 비행기를 내고 나서부터 경쟁이 시작이 되었다. 그렇게 경쟁을 하다가 a320시리즈와 b700시리즈가 나왔다. 하지만 이 두 회사도 이젠 새로운 비행기 개발에 나섰다. 그 비행기는 바로 B747과 A380이다. B747은 1960년대에 첫 비행을 하였고, A380은 2006년에 첫 비행을 하였다. 


지금은 기체 노후와 안전성 문제로 B747은 퇴역을 하고 있는 기체 중에 1가지이다. 이젠 이 두 회사는 비행기 개조를 시작하였다. 그 결과물은 벨루가(Baluga)와 드림라이너(Dreamliner)이다. 두 비행기는 비행기 부품을 실어 나르지만, 드림라이너는 전철까지도 실어다준다. 

드림라이너는 747기종을 개조하고, 에어버스는 A300-600을 개조하여 제작이 되었다.



<참고문헌>

YellowPig

Airplan_e타고 Fly high~ 

지식in

장밥티스트 투사르 비행기는 어떻게 날까? 민음 in

정조원 비행의 시대 사이언스 북스

박영기 과학으로 만드는 비행기

명로진 비행기가 비틀비틀

과천 국립과학관


















Posted by 국토교통부

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  1. 2015.09.10 12:17 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  2. 앨리스심

    멋진 탐구보고서네요^^

    2015.09.10 21:51 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  3. 멋져요^^

    2015.09.11 21:51 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  4. sysea47

    과학탐구토론대회 나가셔도 되겠어요~
    무슨 보고서 같아요 ㅎㅎㅎ
    정말 잘 쓰셨네요!

    2015.09.11 23:17 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  5. 별빛페넥여우

    와우! 정말 멋진 탐구입니다~

    2015.09.12 21:41 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  6. 씨앗

    우와.. 상당히 깊은 탐구를 하셨네요!! ㅎㅎ 대단해요~

    2015.09.13 22:19 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  7. G3

    정말 멋집니다^^

    2015.09.14 14:26 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  8. 김효민

    과학공부가 된듯한 느낌이네요

    2015.09.15 00:24 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  9. 잘 읽었습니다 많이 배워가요~

    2015.09.15 12:18 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  10. 경몬

    잘 읽었습니다~

    2015.09.15 16:23 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  11. urbanpark

    비행기에 이런 원리가 있다니!! 신기합니다~!!!

    2015.09.15 18:44 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  12. Nightshade

    비행기의 원리에 대해 자세히 알 수 있었어요~

    2015.09.15 20:00 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  13. 오...자세한 설명 감사해요.

    2015.09.16 13:16 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  14. 이거 대학 물리 시간에서 볼만한 수준의 기사네요!

    2015.09.16 17:33 신고 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  15. 젼젼

    쉽게 알려주셔서 이해하기 편했어요!! 정말 멋진 기사입니다~

    2015.09.22 01:52 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  16. 프리루트

    오! 자세한 설명

    2015.12.02 21:39 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]
  17. 승우

    와 설명이해하기 짱짱 쉬워요.

    2015.12.02 21:40 [ ADDR : EDIT/ DEL : REPLY ]