[물리저장소]ㅠ우주 천체까지의 거리를 구하는 법을 알아보자.araboza

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[물리저장소] 천문학자들이 거리를 구하는 법을 알아보자.araboza part2

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[물리저장소] 국제 규격 단위인 SI단위를 알아보자.araboza

일게이들 비행기는 한번씩 타봤盧?

비행기를 볼 때마다 느끼는거였지만 저 거대한 물체가 하늘에 뜰 수 있다는게 참 신기했지

어릴땐 그렇게 순수한 마음으로 하나하나 호기심이 폭발했었지만 나이가 들고 나서는 그저 비행기를 타도 날개보다는 스튜어디스 응딩이만 바라보게 된것 같아

요즈음은 비행기가 너무나도 자연스런 교통수단의 하나로 인식되었어. 때문에 유치원생도 비행기가 나는 원리가 '양력'이라는 것 쯤은 알고 있어

그럼 이 질문은 어때? 양력이 생기는 원인은 무엇인데?

상식이 좀 풍부하거나 물리를 공부한 게이들은 손쉽게 대답할 거야.

바로 '베르누이의 원리'야. 아래 그림을 보면 쉽게 알 수 있지?

수식을 싫어하는 문과게이들을 위해 먼저 글로 간단히 설명하자면, (위치에너지를 무시할 때)속도가 빨라지면 압력이 낮아진다는 것이 베르누이의 원리인데,

날개의 윗부분이 속도가 빠르니까 압력이 낮아져서 위쪽으로 힘을 받는다는 간단한 원리지.

그런데, 난 지금 이렇게 뻔한 상식을 일베에 쓰는 게 아니야. 내가 말하고 싶은 것은 바로

양력을 설명하는 저 이론은 틀렸어

라는 점이야.

베르누이 정리를 이용한 설명이 틀린 이유는 다음 두 가지로 요약할 수 있어.

1. 날개 위쪽 길이는 아랫쪽 길이보다 겨우 몇 %정도 긴 정도야. 이로 인해 생기는 압력차로는 비행기를 띄울 수 없어.

2. 날개의 위와 아래의 길이가 같거나, 심지어는 아랫쪽이 더 긴 비행기도 많아.

1번은 유체역학적 수식이나 시뮬레이션으로 풀어야 하는데, 이를 간단히 수식을 이용해 계산하여 보자.

문과게이들은 굳이 읽지 않고 결론만 읽어도 되.

보잉 747의 예를 들어 보면, 보잉 747의 무게는 81600kg이고 이륙속도는 250km/h야.

날개의 총 면적은 510.95m^2이고, 날개의 윗길이는 아랫 길이보다 약 10%정도 더 길어.

그럼 날개 위의 속도가 아랫쪽보다 10% 빠르므로, 날개 위쪽 유체의 속도가 275km/h, 아랫쪽이 250km/h라고 가정해도 좋겠지.

베르누이 정리를 변형하면 ρ/2(v1^2-v2^2)=p2-p1이 되. v1은 76.3m/s, v2=69.4m/s가 되고, ρ=1.27kg/m^3이므로

날개 위와 아래의 압력차인 p2-p1=6510.02Pa라는 결론이 나와.

압력에 면적을 곱하면 힘이 되므로, 510.95x6510.02=326182.58N이 되어 이륙시 양력의 크기는 326182.58N임을 알수 있어.

그런데 보잉-747의 무게 W는 W=mg에 의해 81600x9.8=799680N이 되.

비행기 무게가 양력의 크기의 2배가 넘지. 

물론 실제로는 받음각에 의한 엔진추력 역시 고려해야 하지만 이정도 모델링으로도 베르누이 정리에 의한 이론이 틀렸음은 충분히 증명할 수 있어.

또한, 2번처럼 날개의 윗쪽 길이가 아랫쪽 길이보다 같거나 짧은 비행기도 많아.

그 좋은 예 두가지로, 영국 해병대에서 운용중인 수직 이착륙 전투기 AV-8 Harrier와, 라이트 형제가 만든 최초의 비행기 프라이어 1호의 날개를 보자.

위의 사진은 각각 해리어기와, 그 날개의 단면을 보여주는 사진이야. 날개의 아랫쪽 길이가 위쪽보다 길지?

이 사진은 라이트 형제의 프라이어 1호야. 날개 위와 아래의 길이차가 없어. 

일게이들이 어릴적 만든 고무동력기나 종이비행기도 위쪽과 아랫쪽에 길이차가 없음을 알 수 있어.

자 그렇다면, 도대체 무엇이 양력을 만드는 걸까?

그 해답은 바로 베르누이의 정리가 아니라 원심력이야. 아래 사진을 보면서 설명을 읽어봐

(사실 원심력은 가상의 힘이라 '원심력이 비행기를 띄운다'라는 말은 부정확해. 그건 이따 다시 정리해줄께)

예를 들어 위와 같은 날개를 보면, 아랫쪽의 기류는 단순히 수평으로 흐르는 데 반해 위쪽 공기는 날개 위에서 원모양을 그려.

원호를 그리며 운동하는 물체는 바깥쪽으로 튕겨나가는 힘, 원심력을 받는데, 그 이유 때문에 날개의 위쪽 공기는 위쪽으로 튕겨나가는 힘을 받아.

그 때문에 공기가 위로 올라가려고 하고, 날개 위의 압력이 낮아져 덩달아 끌어올라가는 거야.

이제 다른 날개의 형태를 살펴보자.

이 날개는 날개 아랫쪽이 더 긴 형상을 띄고 있어서 베르누이 원리에 의한 양력 설명이 불가능해. 

하지만 원심력을 이용한 이론으로는 양력을 증명할 수 있는데, 아래 그림을 보자.

날개의 아랫쪽 길이가 더 길긴 하지만, 곡률이 모두 위를 향하기 때문에 원심력의 방향은 모두 위쪽을 향함을 알 수 있어.

일게이들이 만들었던 고무동력기도, 날개가 얇은 판이기 때문에 위아래의 길이차는 없었지만,

결국 위로 휘어있다는 점에는 변함이 없었지? 그래서 날아갈 수 있었던거야. (근데 사실 고무동력기는 중량대비 추력(추중비)이 너무 쎄서 날개 없이도 날아..)

아까, 원심력이 비행기를 띄운다는 표현이 정확하지 않다고 했는데, 이를 좀 더 명확하게 설명해줄께. 

문과게이나 비전공자는 굳이 이렇게까지 엄밀할 필요는 없어

날개의 위쪽에서 유체가 원운동을 하기 위해선 구심력이 필요해, 그 구심력이 바로 '압력'이고, 그 압력은 flow stream을 따라 아래로작용해.

그럼 유체가 아랫쪽으로 힘을 받을 테니, 그 반작용력은 어디에 작용한다? 바로 날개 윗쪽 표면에 위로 작용하게 되는거지.

이를 발퀄 그림판으로 설명하면 이렇게 될 꺼야.

이제 비행기가 날아가는 정확한 원리를 일게이들 모두 배웠길 바래

여담으로, 저 잘못된 양력의 원리가 널리 퍼진건 1920년 경이라고 추측되고 있어. 그당시에는 1, 2차대전을 통해 비행기가 대중에게 주목받으면서

그 원리에 대한 설명도 퍼졌는데, 그 중에 가장 쉬운 설명인 베르누이 정리를 이용한 것이 퍼진거야.

실제 유체역학 시뮬레이션을 이용하여 이를 증명한 자료나 나사 연구결과를 알고싶은 게이들은 아래의 참조문헌을 보길 바래

상당히 어려운 내용들이 포함되어 있거나, 영어니까 조심하고..ㄷㄷ

[참조문헌]

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/shape.html

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/wrong1.html

http://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/bernnew.html

http://blog.naver.com/p47d/130087208389

http://iopscience.iop.org/0031-9120/38/6/001/pdf/0031-9120_38_6_001.pdf

끝으로, 양력에 대한 잘못된 정보를 일게이들에게 퍼뜨린 녀석을 저격하도록 할께

http://www.ilbe.com/index.php?_filter=search&mid=ilbe&search_target=title&search_keyword=%EC%96%91%EB%A0%A5&document_srl=1192641504