비행기에 작용하는 네 가지 힘과 안정성

네 가지 힘

비행기는 크게 4가지의 힘이 작용합니다. 크기와 방향인 중력, 양력, 항력, 추력의 힘에 따라 움직입니다. 중력은 지구 쪽으로 비행기를  끌어당기는 힘인 무게 비행기 자체 무게, 승무원, 연료, 화물과 같은 비행기에 적용되는 모든 중량에 대한 아래쪽방향으로 작용하는 힘입니다. 양력은 위쪽방향으로 비행기를 밀어주는 힘인 양력은 수직으로 작용하고 무게를 들어 올리는 힘입니다. 추력은 앞쪽방향으로 비행기를 움직이는 힘이고 항력의 힘을 이겨낸 느 동력장치에 의해 발생된 앞쪽방향의 추진되는 힘입이다. 항력은 뒤로 비행기를 잡아당기도록 제동동작을 가하는 힘인데 뒤쪽방향의 견제력을 뜻하고 날개, 동체 및 돌출된 물체에 의해 공기흐름의 와해로 발생합니다.

 

비행기에 작용하는 이 네 가지 힘은 오직 비행기가 직선수평정속비행을 할 때 균형을 이룹니다. 양력과 항력의 힘은 상대풍과 비행기 사이의 관계로 발생합니다. 양력의 힘은 항상 상대풍에 직각으로 작용하고 항력의 힘은 상대풍에 병행한 방향으로 작용합니다. 이 힘은 실제 날개에 합성양력을 만들어 내는 성분입니다. 무게는 양력과 일정한 관계를 갖고 추력은 항력과  일정한 관계를 갖습니다. 이것들은 심플하지만 공기역학을 이해하기에 아주 중요합니다.

 

비행기의 중력에 의해 발생한 양력은 항공기의 무게에 반작용하기 위해 요구됩니다. 이 무게의 힘은 무게중심이라고 부르는 지점을 통해 아래쪽 방향으로 작용합니다. 무게중심은 항공기의 모든 무게를 집중시키도록  고려된 가상의 점입니다. 날개면적은 동체에 의해 보이지 않은 부분까지 포함하며 날개 면적은 하단부로 투영된 면적입니다. 다른 변수가 동일할 때 날개 면적이 2배가 되면 비례하여 날개에 의해 발생하는 양력, 항력은 두 배가 됩니다. 양력을 만들어내는 물체 위에서 공기의 상대운동은 항력을 같이 발생시킵니다. 항력은 공기를 통과하여 움직이는 물체에 작용하는 공기의 저항력입니다. 만약 비행기가 수평하게 비행하고 있다면 양력은 그것을 지탱하기 위해 수직으로 작용하는 반면 항력은 뒤로 붙들고 있기 위해 수평으로 작용합니다.

무게중심

중력이라고 함은 지구의 중심으로 지구의 중력장 내에 모든 물체를 끌어당기려는 인력입니다. 무게중심은 항공기의 모든 무게가 집중되는 점으로 가정 괸 점입니다. 만약 항공기가 자신의 정확한 무게중심에서 지탱한다면 그것은 어떤 위치에서 균형을 잡혀있다고 볼 수 있습니다. 항공기 설계 과정에서 무게 중이 어디까지 이동 가능할지 고려해서 설계합니다. 또한 비행 평형상태를 위해 복원모멘트가 발생할 수 있도록 설계해야 합니다. 일반적으로 압력중심의 앞쪽에 무게중심을 설정합니다.

기체축

비행 중인 비행기가 자세를 변경할 때에는 언제나 3 개축 중 1개 또는 그 이상에 대하여 회전해야 합니다. 비행기의 3개의 축 모두는 교차하는 곳의 중심에서 각각의 축은 다른 2개의 축에 수직입니다. 기수에서 꼬리까지 동체를 통과한 세로로 연장한 축은 세로축이라고 부릅니다. 한쪽 날개 끝에서 다른 쪽 날개 끝까지 가로로 연장한 축은 가로축, 또는 피치축이라고 부릅니다. 항공기 위쪽에서 밑바닥까지 중심을 거쳐지나 간 축은 수직축 또는 요축이라고 부릅니다. 롤, 피치, 요는 3재의 조종면에 의해서 조종됩니다. 롤은 날개의 뒷전에 위치한 에 얼론에 의해 조종됩니다. 피치는 수평꼬리날새 후방 부분에 위치한 엘리베이터에 의해 조종됩니다. 요는 수직꼬리 날개의 후방 부분 러더에 의해 조종됩니다.

 

안정성과 제어

항공기는 비행경로를 유지하고 여러 가지 외부 교란으로 부터 회복하기 위해서 충분한 안정성을 갖추어야 합니다. 비행기가 조종성이 좋다는 이야기는 비행기가 조종 장치의 움직임에 쉽세 그리고 신속히 반응하는 것을 의미합니다. 3개의 조종면은 3개의 축의 각각에 대하여 항공기를 조종하는 데 사용됩니다. 비행기의 조종면을 움직이는 것은 항공기의 표면 위에 공기흐름을 변경하기 위한 것입니다. 즉, 이것은 수평 비행하는 항공기를 유지하기 위해 작용하는 힘의 균형에 변화를 만들어내는 것입니다. 항공기의 안전성 측면에서 세 가지 용어인 안전성, 기동성, 조종성을 검토할 필요가 있습니다. 안정성은 항공기가 직선수평비행경로로 비행하게 하려는 특성입니다. 기동성은 요구된 비행경로로 용이하게 비행하게 하는 항공기의 특성입니다. 조종성은 항공기를 기동시키는 동안 조종사의 명령에 항공기의 반응성을 나타내는 것입니다.

 

비행기에 작용하는 모든 힘과 모든 모멘트의 합이 0일 때 평향상태입니다. 평행상태에 있는 항공기는 가속이 없고 안정된 상황이 지속됩니다. 돌풍 또는 조종의 조종입력 등이 평행상태를 교란시키고 항공기는 모멘트 또는 힘의 불균형으로 가속하게 됩니다. 

정안정성의 세 가지 형태는 평행 상태로부터 어떠한 교란이 발생했을 때 이에 대한 움직임의 특성에 의해 규정됩니다. 양의 정안정성은 교란된 물체가 평형상태로 되돌아오려는 경향이 있을 때 존재합니다. 음의 정안정성 또는 정적불안정성은 교란된 물체가 교란의 방향으로 지속하려는 경향이 있을 때 존재합니다. 중립정안정성은 교란된 물체가 어떤 경향도 있지 않고 교란의 방향에서 평행상태로 남아 있지도 않을 때 존재합니다. 

동안정성은 시간의 흐름에 따라 운동의 변화를 분석한 것입니다. 만약에 물체가 평행상태에서 교란된 결과로 초래된 운동이 있다고 가정하면 시간이력이 물체의 동적 안정을 규정합니다. 만약 물체의 진폭이 시간의 흐름에 따라 감소한다면 양의 동안정성이라고 합니다. 운동의 진폭이 시간의 흐름에 따라 증가한다면 물체는 동적 불 안정을 갖고 있습니다.