균형을 이루는 네 가지 힘

종이비행기부터 여객기까지 모든 항공기는 똑같은 네 가지 힘에 의해 밀리고 당겨집니다. 힘은 뉴턴(N)으로 측정하며, 각각 화살표로 나타냅니다.

• 무게(W)는 항공기를 아래로 끌어당겨 지구의 중심을 향하게 합니다. 무게는 질량과 중력을 곱한 값입니다: W = m × g, 여기서 g = 9.81 m/s²입니다. 질량이 1,000 kg인 경비행기의 무게는 9,810 N입니다.
• 양력(L)은 공기의 흐름과 직각 방향으로 날개에 작용하는 공기의 힘입니다. 수평 비행에서는 위쪽을 향합니다.
• 추력(T)은 프로펠러나 제트 엔진이 앞으로 미는 힘입니다.
• 항력(D)은 움직임을 방해하는 공기의 힘입니다. 공기의 흐름을 따라 뒤쪽을 향합니다.

양력과 항력은 모두 공기가 항공기를 밀어서 생깁니다. 무게는 지구가 끌어당기는 힘입니다. 추력은 엔진에서 나옵니다. 엔진이 비행기를 떠받치는 것은 아닙니다. 그것은 날개의 역할입니다.

균형은 안정적인 비행을 뜻합니다. 뉴턴의 제1법칙에 따르면 물체에 작용하는 힘의 합이 0이면 물체는 일정한 속도로 계속 움직입니다. 따라서 항공기가 일정한 속력으로 수평 비행할 때는 다음과 같습니다.

• L = W (위쪽 힘 = 아래쪽 힘),
• T = D (앞쪽 힘 = 뒤쪽 힘).

아무것도 "남지 않으므로" 아무것도 변하지 않습니다. 힘이 같지 않으면 뉴턴의 제2법칙이 적용됩니다: 알짜힘 = 질량 × 가속도. 질량이 1,000 kg인 장난감 비행기의 추력이 항력보다 200 N 더 크다고 해 봅시다. 앞쪽으로 작용하는 알짜힘은 200 N이므로, a = 200 / 1,000 = 0.2 m/s²입니다. 비행기는 처음에는 천천히 속력이 빨라지다가, 점점 커지는 항력이 추력을 따라잡으면 더 높은 속력에서 다시 힘의 균형을 이룹니다.

위아래 방향에도 같은 원리가 적용됩니다. 양력이 무게보다 크면 항공기는 위로 밀려 올라가고 비행 경로가 위쪽으로 휘어집니다. 양력이 더 작으면 비행 경로가 아래쪽으로 휘어집니다.

숫자의 크기는 어느 정도일까? 양력과 항력의 비인 L/D를 보면 날개가 얼마나 효율적으로 무게를 지탱하는지 알 수 있어. 일정한 고도로 수평 비행할 때는 L = W이고 T = D이므로, T = W / (L/D)야. 이 과정에 나오는 소형 모형 비행기의 최대 L/D는 약 12.5야 (왜 그런지는 3과에서 알게 될 거야). 그러면:

T = D = 9,810 N / 12.5 ≈ 785 N, 무게의 약 8 percent뿐이야. 날개가 무게를 지탱하기 때문에 비행기는 무게를 아주 효율적으로 옮길 수 있어. 제자리 비행 중인 헬리콥터는 그런 도움을 받지 못해. 로터가 기체 무게 전체와 같은 추력을 내야 하지 (월드 5).

상승과 하강. 일정하게 상승할 때는 비행 경로가 γ 각도로 기울어져. 이제 엔진은 무게의 일부에 맞서 비행기를 오르막으로 끌어올리는 힘도 내야 해: T = D + W sin γ. 5°로 상승할 때 W sin 5° ≈ 9,810 × 0.087 ≈ 855 N의 추가 추력이 필요해. 엔진을 끄고 활공할 때는 무게의 같은 성분이 반대로 비행기를 앞으로 끌어당겨. 월드 6에서 이걸 사용하게 될 거야.

이 과정은 교육을 위한 것입니다. 비행의 물리학을 설명해 항공기를 이해할 수 있도록 돕습니다. 비행 훈련이나 어떤 항공기의 조작 지침이 아닙니다. 실제 조종사는 공인 교관과 자신이 조종하는 항공기의 매뉴얼을 통해 배웁니다. 여기에 사용된 수치는 단순화한 장난감 항공기를 기준으로 하므로 실제 항공기 종류와 정확히 일치하지 않습니다.