다운포스 오해와 진실 2

다운포스는 어떻게 생기는가에 대한 오해들도 많이 있습니다.

 

오해 1. 날개의 위와 아래를 흐르는 공기가 날개 끝에서 만나야 하는데 한쪽은 길고 한쪽은 짧아서 이 길이의 차이 때문에 속도 차이가 생기고 그로 인해 압력 차이가 생긴다.

하지만 만약에 날개의 윗면과 아랫면의 길이가 다르기 때문에 양력이 생긴다고 하면 종이비행기처럼 날개가 평판의 형태여서 위 아래의 길이가 같은 경우 설명이 되지 않습니다.

또한 비행기를 보면 뒤집힌 상태에서도 잘 나는 것을 볼 수 있는데 이 때에는 아래쪽이 길이가 더 긴데도 비행기는 잘 떠있는 것을 볼 수 있습니다.

 

오해2. 다른 설명 중에 특히 자동차의 리어윙에 대해서 이야기할 때 많은 사람들이 잘못 알고있는 것이 차의 리어윙을 공기가 눌러준다는 설명입니다. 이는 다운포스 오해와 진실 1에서도 나왔던 내용입니다.

particle lift theory

이 역시 잘못 된 설명입니다. 공기는 공처럼 부딛혀서 튕겨나가지 않죠. 또한 투수들이 던지는 공을 보면 공은 둥글기 때문에 어느 한 쪽으로 튀어나가지 않은데도 힘을 받고 휘어지는 것을 알 수 있습니다.

 

날개가 어떻게 힘을 만드는가에 대한 여러가지 설명이 있지만 그 중 가장 이해하기 쉽다고 생각하는 설명은 날개가 공기 흐름의 방향을 바꾸고 그 반작용으로 힘이 발생한다는 설명인 것 같습니다. 실제 날개나 회전하는 실린더 주위를 흐르는 공기를 보면 다음과 같습니다.

streamline
streamline explanation from NASA

두 그림을 보면 둘다 공기가 아래에서 올라갔다가 다시 내려오는걸 알 수 있습니다. 공기가 내려오니까 날개나 실린더 (야구공도 마찬가지로)는 올라가는 힘을 받게 됩니다.

 

보통 베르누이 원리를 이용하여 설명하기도 하는데 궂이 따지자면 isentropic flow인지 (irreversible 이면서 adiabatic이어야하고..) 이야기가 나오고 boundary layer 이야기도 해야하겠지만 여기서는 대략적인 개념만 설명하려고 합니다. 베르누이 원리란 유체의 속도의 변화가 정압의 변화를 동반한다는 이야기입니다.

쉽게 이야기하면 공기가 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고 속도가 느려지면 압력이 높아집니다.

날개의 윗면은 공기의 속도가 빨라서 압력이 낮아지고 (자동차의 윙은 반대이겠죠) 아랫면은 공기의 속도가 느리기 때문에 압력이 높아서 날개가 위로 뜨는 힘이 발생한다는 설명입니다.

 

실제 날개는 길이가 한정되어 있기 때문에 더욱 복잡한 설명이 필요합니다만 여기서는 이정도로 마무리하도록 하겠습니다.