항공 - 양력에 대한 잘못된 설명

항공 - 양력에 대한 잘못된 설명

헬리콥터나 비행기가 하늘을 날 수 있는 것은 날개가 받는 '양력'때문이라는 사실은 널리 알려져 있습니다. 그러나 백과사전, 웹사이트 심지어 일부의 과학 교과서에도 양력이 발생하는 원리를 잘못 설명이 되어있거나 부정확하게 설명이 되어있어 학생들에게 혼란을 주고있다고 합니다.

흔히 잘못 알고 있는 양력의 원리는 비행기가 나는 원리를 설명해보자면 날개 윗면의 공기를 빨라서 낮은 압력을 나타내며 아랫면의 공기는 속도가 느리기 때문에 높은 압력을 가지게 되어 결과적으로는 비행기를 위로 뜬다는 사실을 알 수 있습니다.

프로펠러나 비행기 등에 사용되는 날개의 모양을 에어포일(airfoil)이라고 하며, 에어포일이 유체 속에서 운동을 할때 그 주위에는 4가지의 힘이 작용하는데 중력, 추력, 항력 그리고 양력이 작용한다고 합니다. 중력은 지구사에서 질량을 가진 모든 물체에 작용하는 힘이며 아랫방향으로 작용하고 추력은 에어포일을 앞으로 가속하는 힘이며 비행기의 경우에는 엔진으로 부터 나온다. 항력은 가속을 방해하는 유체의 저항력이며 에어포일의 운동방향과는 반대방향으로 작용합니다. 그리고 마지막에 에어포일이 공중에 떠 있기 위해서 위쪽으로 작용하는 또 하나의 힘이 양력입니다.

긴 경로 이론(Longer Path Theory)

이 설명의 핵심은 바로 "날개 끝에서 두 공기 흐름이 동시에 만난다"는 가정인데 이것 때문에 더 멀리 있는 거리를 가야하는 윗면의 공기의 흐름이 빨라지며 압력차가 발생한다는 것입니다. 이것이 긴 경로 이론(Longer Path Theory)이다. 하지만 이 이론이 잘못된 자료임을 입증하는 여러 증거들이 있다.

윗면이 짧다면 이런 날개를 가진 비행기는 아래 방향으로 힘을 받아야 하지만 결과적으로 보면 초임계 에어포일이 적용된 NASA의 수많은 시험기들은 무사히 비행실험에 성공하였습니다. 그렇다면 종이비행기를 보자면 날개 윗면과 아랫면의 길이가 같은 종이비행기 역시 비행에는 문제가 없다고 합니다. 전동모터만 달아준다면 배터리가 허용하는 한 땅에 떨어뜨리지 않고 비행을 할 수 도 있습니다.

양력을 설명하는 과정에 잇어서 빚어진 오류는 에어포일을 지나가는 유체의 흐름을 잘못 이해한 데서 비롯되었다. 즉 에어포일의 윗면을 지나가는 유체의 흐름이 아랫면보다는 윗면이 빠르다는 것을 설명하기 위해서 경로차나 동시통과를 가정했기 때문에 오류가 생겨난 것이다. 분명 에어포일의 윗면과 아랫면의 유속의 차이는 분명히 발생하여 베르누이 원리에 따라 압력차가 생겨서 양력이 존재한다는 설명자체는 과학적으로 틀리지 않는 것은 아니다. 베르누이 원리는 이상적인 유체의 정상적인 흐름을 가정하여 유도한 것이므로 일반적인 유체의 흐름에 적용할 수 없다는 것을 지적을 한 것은 옳지만 베르누이 원리를 적용하여 양력을 이해할 수 없다는 것은 아니다. 하지만 유속의 차이가 생기는 이유를 설명하기 위해서는 긴 경로의 이론이나 동시통과의 이론을 적용한다는 것은 분명한 오류이며 또한 유속의 차이가 생기는 이유를 분명하게 설명한다는 것도 양력이 발생하는 원리를 이해하기 어렵게 만들고 있다는 셈이다.

20세기초 독일의 한 교과서에서 양력의 원리를 설명하기 위해 긴 경로 이론을 활용한 이후 비판없이 원활하게 이 설명이 널리 퍼지게 되었다고 합니다. 현재는 고등학교 교과서나 교사용 지침서에서도 이런 잘못된 설명이 실려있는 상태라고 합니다. 긴 경로 이론 어디에도 두 공기 흐름이 날개 끝에서 만나야 한다는 합리적은 근거는 정확하게 제시되어 있지 않습니다. 참인 명제인마냥 가정하고 있을 뿐입니다. 양력이 발생하는 정확한 메커니즘을 이해하기 위해서는 다시 뉴턴의 방정식으로 돌아가야 한다는 것입니다. 바로 '작용과 반작용의 법칙'입니다.