비행기가 뜨는 원리는 무엇입니까?

양력에 대한 이론으로 세 가지 이론이 있다.

첫째가 베르누이 효과로 설명하는 것,

둘째가 코안더 효과로 설명하는 것,

셋째가 서큘레이션 효과로 설명하는 것이다.

베르누이 효과로 설명해보면, 간단히 비행기에 작용하는 힘은 중력, 양력, 항력, 추력 네 가지 힘이 작용하고 있다. 여기서 비행기를 띄우는 힘은 양력이라 할 수 있다. 양력은 비행기 날개의 받음각 때문에 발생할 수 있지만 가장 중요한 원인은 날개의 윗면과 아랫면의 압력 차에 의해 발생한다. 베르누이 정리에 의하면 속도가 빨라지면 압력이 감소하는데 날개의 윗면은 곡면으로 되어있어 윗면을 타고 흐르는 공기의 속도는 아랫면보다 빨라진다. 따라서 윗면의 압력이 아랫면의 압력보다 낮아지기 때문에 양력이 발생한다. 좀 더 깊이 들어가 보면, 양력은 베르누이 정리로만 설명되지는 않는다.

첫째, 베르누이 효과는 음속을 넘어서는 기체의 양력을 설명하지 못한다.

(베르누이 효과는 비압축성 유체만을 설명할 수 있다. 공기의 유속이 음속을 넘어가면 압축성 유체가 된다.)

둘째, 앞에서 갈라진 공기가 뒤에서 만나야 한다는 물리법칙은 존재치 않는다.

실제 실험이나 시뮬레이션을 해보면 위로 흐르는 공기가 아래로 흐르는 공기를 오히려 지나쳐 흘러버린다.

그래서 코안더 효과로 설명하기도 한다. 코안더 효과란, 유체가 물체의 표면을 따라 흐르는 현상이다. 예를 들면, 세수할 때 물이 팔을 따라 흘러내리는 것을 생각해보면 된다.

날개의 형태는 아래 그림과 같은데, 날개의 윗면은 대각선 아래 방향을 향하고 있다.

날개 위로 흐르는 공기는 대각선 아래방향으로 흐를 것이고,(다운워시) 공기는 다운모멘텀(아래방향 운동량)을 가지게 된다. 이 운동량의 변화만큼 날개가 양력을 가지게 된다는 것이다. 실제로도 날개 윗면의 공기는 대각선 아래방향으로 흐른다.

그러나 이 이론에서 치명적 문제가 있는데, 다운워시가 가지는 다운모멘텀만큼 날개 앞쪽의 업워시가 가지는 업모멘텀이 있다는 것이다.

두 모멘텀은 상쇄되어 아무 양력을 발생시키지 못한다.

그럼 서큘레이션 효과로 결론지을 수 있다. 한글로 바꾸어보면 '순환력', '순환 효과' 정도가 될 것이다. 이것은 날개의 양각(날개 앞쪽이 들린 각도: AOA)에 의해 생기는 것이다.

날개 아랫면으로 갈라진 공기는 양각에 의해 날개 윗면으로, 날개 윗면으로 갈라져 올라간 공기는 양각에 의해 날개 아랫면으로 흐르려 한다.

그런데, 유체는 둥글지 않은(각이 진) 물체의 끝에서는 꺾이지 않고 그대로 지나간다. 둥근 물체의 끝에서는 그대로 표면을 타고 흐릅니다. (물론 코안더 효과이긴 하다.)

즉, 날개 앞쪽은 둥글기 때문에 아래의 공기는 위로 올라갈 수 있지만, 날개의 뒤는 그렇지 않기에 위의 공기는 아래로 내려가지 못한다.

이로 인해 위, 아래의 공기흐름에 차이가 생기고, 압력 차가 발생한다.

이 압력차이로 인해 양력이 발생할 수 있는 것이다.

이 압력으로 인한 양력은 '쿠타-주코프스키 이론'으로 구할 수 있다.

Lift(양력) = airspeed(유속) × circulation × density(밀도차이) × span