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다이달로스는 그리스신화에 나오는 ‘명장(名匠)’으로 괴물 미노타우로스를 가두기 위해 만들었으나 스스로 갇혀 버린 미궁으로부터 빠져나오기 위해 ‘날개’를 만들어냈다. 이때 만든 날개는 새의 깃털을 밀랍으로 이어 붙인 것으로 함께 탈출했던 다이달로스의 아들 이카로스는 결국 태양에 너무 가까이 접근하다 밀랍이 녹아 추락하고 만다. 그런데 다이달로스와 이카로스를 하늘로 끌어올린 힘은 정말로 새의 깃털에 있었을까?

비상하는 힘, 양력

양력 의 원리를 설명하는 데에는 많이 알려진 두 과학자의 도움이 필요한데 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli, 1700~1782)와 아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642~1727)이 그들이다. 베르누이는 1738년 출판한 그의 저서 [유체역학(Hydrodynamica)]에서 공기나 물과 같은 유체의 에너지보존에 대해서 언급하였다. 그는 외부에서 별도의 에너지 공급이 없는 경우, 유체의 압력, 속도, 높이에 의한 에너지 총량은 일정하다는 것을 이야기하였는데 이는 곧 어느 하나의 에너지 변화는 반드시 다른 형태의 에너지 변화를 수반한다는 의미이다.

이제 항공기 날개를 떠올려보자. 일반적인 항공기 날개의 단면은 위쪽이 아래쪽보다 더 볼록한 형태로서, 비행시 날개 위쪽을 흐르는 공기의 속도가 더 빨라지도록 설계되어 있다. 날개 위쪽을 흐르는 공기의 가속에 의한 운동에너지 증가는 곧 압력에너지의 감소를 불러올 것이다. 이로 인해 날개의 위아래 면에는 압력차가 발생하게 되며, 날개는 공기가 흐르는 방향에 수직한 방향으로 떠오르게 되는 것이다.

양력의 원리에 대한 또 다른 설명은 뉴턴의 운동법칙을 통해서 가능하다. 우선, 뉴턴의 운동 3법칙 중 제2법칙에 의하면, 시간에 따른 질량이나 속도의 변화는 힘을 발생시킨다. 여기서 속도는 그 크기와 함께 방향의 성분도 포함하고 있다. 비행 중인 항공기 날개의 전방에 있는 공기를 전방류, 후방에 있는 공기를 후방류라 부르는데, 후방류는 일반적으로 날개의 영향을 받아 아랫부분으로 떨어지는 움직임을 보인다. 이 과정에서 공기의 방향이 바뀌며, 아래 방향으로 힘이 발생하게 된다. 이 힘은, 모든 작용에는 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 항상 존재한다는 뉴턴의 제3법칙에 의해, 역으로 날개에 작용해 날개를 공기 중으로 띄우는 데에 사용된다.

이와 같이 양력을 설명하는 데에는 베르누이와 뉴턴이 밝혀낸 법칙이 모두 사용되며, 날개의 단면형상을 중심으로 설명할 때에는 베르누이의 법칙이, 공기 흐름의 방향을 크게 변화시키는 날개의 받음각을 중심으로 설명할 때에는 뉴턴의 운동법칙이 주로 사용된다.

유체의 에너지 보존을 논한 베르누이의 저서
[Hydrodynamica]의 표지.
<출처: 青子守歌 at en. wikipedia>

항공기에서 하드디스크까지, 양력의 다양한 응용분야

그렇다면 이러한 양력의 발생원리는 어디에 응용되고 있을까? 양력과 관련하여 가장 일반적으로 알고 있는 적용 대상은 항공기이다. 날개가 고정된 고정익기의 경우, 엔진의 추력에 의해 기체를 전진시켜 양력을 발생시키며, 날개가 회전하는 헬리콥터(회전익기)의 경우, 엔진에 의해 로터를 회전시켜 양력을 발생시킴으로써 기체의 전진 없이도 부상할 수 있다.

항공기냐 선박이냐를 놓고 의견이 분분한 위그선(WIG, Wing in Ground)도 양력의 원리를 이용한 운송수단이다. 이 경우는 지면과 날개 사이의 좁은 공간에 의해 압력이 높아지는 지면효과(ground effect)를 이용하여 작은 추력으로도 높은 양력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

우리들이 쉽게 접할 수 있는 물건들에도 양력의 원리는 숨어 있다. 중요한 정보들을 저장하는 하드디스크 드라이브가 좋은 예다. 하드디스크에는 데이터를 읽고 기록하는 헤드와 데이터를 저장하는 플레터가 있다. 정밀한 데이터 처리를 위해서는 헤드가 플래터 위에 미세한 간격을 두고 떠 있어야 하는데, 이때 플래터의 회전에서 발생한 양력이 헤드를 띄우는 역할을 한다. 한편, 자동차의 경우 형상 자체가 날개의 모양을 닮았기 때문에 고속주행 시 원치 않는 양력이 발생하여 바퀴의 접지력이 떨어지는 문제가 발생한다. 따라서, 일부 자동차에는 날개의 형상과 반대의 형태를 지닌 스포일러(spoiler)를 자동차에 부착하여 양력을 저감시키기도 한다.