퍼트리샤 파라가 쓴 <우리가 미쳐 몰랐던 편집된 과학의 역사>에서 과학은 언제 어디서 시작된 것일까?
단순한 질문처럼 보이지만 과학의 참 모습을 묻는 근원적인 질문이다. 그녀는 이 책에서 현대과학에 엄청난 영향을 미친 실용적인 지식의 방대한 보고(寶庫)인 고대 메소포타미아 문명에서 시작된다고 적고 있다.
비록 지금은 바빌로니아인들이 발달시킨 이론들 대부분이 기이하게 보이지만 그 이론들은 초기 이슬람과 유럽인들의 생각을 지배했고, 지속적인 수정과 보완을 거쳐 18세기로 전해지면서 과학의 기조(基調)를 형성했다.
따라서 과학은 오늘날 종종 마법이나 가짜 과학이라고 폄하(貶下)되는 기술과 개념들에 그 바탕을 두고 있는 셈이다. 예를 들어, 레오나르도 다빈치가 그린 삽화(揷畵)에서 오늘날 헬리콥터나 비행기 같은 모양이 발견됐다고 해서 그를 현대 비행기의 발명가라고 부를 수는 없다. 왜냐하면 세심한 관찰에 의한 실험이 아니라 생각에 의존한 이론에 불과했기 때문이다.
▲ 그림 1
라이트 형제가 조립해서 처음으로 띄운 비행기의 원리는 유사 이래 인류의 염원을 이루어 냈지만 그것은 베루누이의 원리에서 부터 뉴턴의 제3법칙, 작용과 반작용의 원리, 거기다 내연기관의 발명이 가세된 복합기술의 결과였다.
항공역학 (AERODYNAMICS)
이번 편에서는 전문가가 아닌 보편적인 다수인이 쉽게 이해할 수 있는 항공역학(航空力學)을 통해 비행기가 어떤 원리로 날아가게 되는지에 대해 설명하려 한다.
비행기가 공기중을 날아 비행할 때 항공기는 네가지 힘에 의해 작용하게 된다. 즉, 양력(揚力), 중력(비행기의 무게), 추력(推力), 저항이 그것이다.
▲ 그림 2
첫째, 양력(LIFT)
항공기가 비행하는 가장 중요한 요소 중의 하나이다. 특히 수평 비행할 때 양력과 중력(항공기의 무게)은 일정하다, 양력의 발생은 날개의 상부와 하부의 압력 차이에서 이뤄지는데 곡선인 날개의 상부에 흐르는 공기의 속도가 증가한다. 공기의 속도가 증가하면 날개 상부의 압력이 감소함으로 날개 상부와 하부의 압력 차이에 의해 양력이 발생한다.
* 베루누이의 원리 (Daniel Bernoulli 1700~1782 스위스)
베루누이의 원리는 일명 Venturi 효과라고도 하는데 흐름이 빠르면 압력이 줄어든다는 간단한 원리가 비행기를 하늘에 띄우는 것이다.
공기는 유체(流體)이고 압력에는 정압(Static Pressure) 과 동압(Dynamic Pressure)이 있는데 압력은 에너지의 한 형태이다. 그러므로 베루누이의 원리를 압력에 적용할 수 있고 에너지 방정식은 다음과 같이 쓸 수 있다.
정압 (Static Pressure) +동압(Dynamic Pressure) = Constant Total Pressure
(P) (1/2 PV2)
즉 공기의 속도가 증가하면 동압도 증가하고 정압은 반드시 감소한다. 반대로 속도가 감소하면 정압은 증가한다.
다음 그림에서 압력의 변화를 읽을 수 있다.
▲ 그림 3
날개의 구조가 Venturi 효과를 적용하는데 가장 효과적으로 만들어졌으며 상부의 곡선이 더 크기 때문에 날개상부에 흐르는 공기의 흐름이 가속되어 압력이 감소, 비행기를 위쪽으로 밀어 올리는 힘, 즉 양력(Lift)이 발생하는 것이다.
뉴톤의 제3법칙(작용과 반작용의 법칙)
* 뉴톤(1642~1727) 영국의 과학자
힘과 운동의 관계를 명확히 밝힘으로써 고전 역학을 완성시켰다. 그 유명한 사과나무에서 사과가 떨어지는 것을 보고 만유인력(萬有引力)을 발견했고 빛의 스펙트럼, 미적분을 발견 했으며 운동의 제3법칙을 체계화 하였다.
그는 공교롭게도 위대한 과학자 갈랄레이가 사망한 해에 태어났다. 심령 과학자들이 내세우는 중요한 이론 중 하나는, 사람이 죽게 되면 그 사람의 영혼은 그 해에 태어나는 아기에게로 몰래 들어가서 죽은 사람과 같은 형질을 유전시킨다는 것이다. 그들이 대표적으로 거론하는 증거가 갈릴레이와 뉴톤의 예이다.*
힘은 항상 두 물체간의 상호작용으로 한 물체가 힘을 받으면 다른 물체도 같은 크기의 힘이 반대 방향으로 나타난다. 작용과 반작용은 한 물체에 작용하는 것이 아니라 서로 다른 두 물체에 작용하는 것이다. 이것은 다른 물체의 도움이 없이는 물체 스스로에게 힘을 작용하지 못한다는 것이다.
* 모든 비행상태에서 날개 상부에 발생하는 공기압력 저하는 총 양력의 75% 이며 날개 하부의 압력저하는 25% 이하이다. 그 차이만큼이 날개를 위로 올리는 작용을 한다.
둘째, 날개 모양과 구성
▲ 그림 4
1, Leading Edge : 이 부분에서 공기의 흐름이 날개에 처음 부딛친다.
2, Trailing Edge : 이 부분에서 날개 상부와 하부로 나뉘어 흐른 공기가 만난다.
3, Chord Line : 날개의 Leading Edge 와 Trailing Edge 에 이르는 직선거리.
4, Chamber : Upper Chamber Lower Chamber
5, Relative Wind : 날개에 흐르는 바람의 방향, 날개가 수평으로 전진하면 Relative Wind는 날개 뒤편, 수평으로 흘러간다. Relative Wind는 평행으로 항공기 진행 반대방향으로 작용한다.
날개의 모양에는 다음 그림과 같이 여러 형태가 있다.
▲ 그림 5
셋째, 추력(Trust)
항공기를 앞으로 전진 시키는 힘(Trust) 은 원동기 즉, Engins 에서 발생한다. Engine 에는 여러가지 Type 이 있으나 크게 나뉘어, 왕복동기관(Reciprocating Engine), Jet Engine 이 있다.
내연기관에는 2행정기관과 4행정기관이 있고 성형, 직열형, 수평대향형등이 있으나 여기서는 4행정기관에 대해서만 설명하기로 한다. 왕복동기관이라고도 하는 내연기관은 우리 모두가 일상생활에서 뗄래야 뗄 수 없는 관계를 갖고 있는 자동차 Engine 도 역시 이것이다.
행정 내연기관의 원리
Cylinder 내부의 Piston이 하강 할때 Intake Valve가 열려 Carburator 를 통해 연료와 혼합된 Gas 가 흡입되어 Piton이 상승하면 압축된 Cylinder 내부에 전기 점화를 일으켜 폭발력으로 Piston 이 하강해서 Crankshaft 를 회전시켜 동력이 발생하고 다시 상승하는 Piston은 타고 남은 배기Gas를 Exhaust Valve 를 통해 외부로 방출시킨다.
소형 항공기 내연기관의 구조
▲ 그림 6
Jet Engine과 내연기관의 연소과정
▲ 그림 7
Propeller
원동기에서 동력이 발생할 때 Piston이 Cylinder 내부에서 상하 운동을 하는것을 Crankshaft로 전달하여 회전운동으로 바뀐다. Crankshaft 를 외부로 연장하여 Propeller 를 장착, 추력을 얻게 된다.
반면 Jet Engine 은 왕복동운동이 아닌 회전운동이기 때문에 고회전력(18,000~24,000 RPM) 이 발생하기때문에 감속 Gear를 통해서 Propeller 의 회전을 효과적으로 운영한다. 이런 형태의 항공기를 Turbo Prop 항공기라 한다, 즉 Jet Engine 으로 Propeller 를 회전시켜 비행하는 것이다.
* Propeller에서 추력이 발생하는 원리 또한 앞에서 설명한 항공기 날개의 원리와 동일하다. Propeller의 구성도 항공기 날개와 같은 모양을 갖고 있다. 
▲ 그림 8
Propeller 항공기 중 최고의 걸작품. DC-3(군용 C-47) 1939년 이후 1만대 이상을 생산 했으며 현재도 세계 여러 나라에서 다목적으로 사용하고 있음.
▲ 그림 9
넷째 : 저항(Drag)
항공기에서 발생하는 저항은 양력에 관계가 있는데 적으면 적을수록 유리하기 때문에 항공기 설계자들은 최선을 다하여 저항을 줄이고자 노력한다. 저항은 항공기 표면의 굴곡(屈曲), 또는 항공기 고유의 형태가 공기의 흐름을 방해 하면서 발생한다.
큰 날개나 높은 굴곡이 있는 날개는 많은 저항과 양력을 발생시킨다. 반면에 작은 날개나 낮은 굴곡이 있는 날개는 반대이다. 고속기에는 이런 형태의 날개를 채용하게 되는데 속도가 2배일 때 양력은 4배로 증가하기 때문이다.
또한 받음각(Angle of Attack) 을 증가 시키면 역시 저항과 양력이 증가한다. 저항은 항공기의 진행방향에 반대로 작용하며 완전히 제거하기는 불가능하다. (지구밖으로 나가면 가능함!)
저항의 종류
1. Parasite Drag(유해저항) : 항공기 전체에서 발생하는 저항으로 Form Drag, Skin Friction Drag, Interferance Drag 등이 있다.
2. Induced Drag (유도저항) : 양력에서 발생되는 저항으로 받음각에 직접적인 영향이 있다.
3. Total Drag : Parasite Drag + Induced Drag
제한된 공간에서 엄청난 양의 학문을 간단히 축소하는 한편으로 내용을 알차게 해보려 무진(?) 애를 썼지만 미흡한 점이 있지나 않을까 우려된다. 다음편 비행기 조종 강의에는 더 많은 노력을 기울일 것을 다짐해 본다.
