대기의 구조 및 특성(Structure of the Atmosphere)
대기는 지구를 감싸고 있고 지표면 주위에 머물고 있는 공기이다. 대기는 지상과 수상에서 서로 다른 가스의 혼합으로 인해 그 구성성분이 다르며, 질량과 무게가 있고 모양이 정해져 있지 않다. 대기는 78%의 질소와 21%의 산소, 그리고 아르곤, 헬륨과 같은 1%의 다른 가스로 구성되어 있다. 이러한 요소들 중 산소처럼 다른 기체들보다 상대적으로 더 무거운 기체는 낮은 고도의 표면에 분포하며 가벼운 기체들은 더 높은 고도에 위치하게 된다. 대기에 포함된 산소의 대부분은 지표면으로부터 3만 5,000ft 미만에 존재한다. 흐르는 성질을 가진 물체를 "유체"(Fluid)라 한다. 대기를 구성하는 공기 또한 흐르는 성질이 있어 유체라 할 수 있다. 유체는 압력이 가해지더라도 쉽게 변형되지 않거나, 약간 변한다. 우리는 이것을 저항점성(rasistance viscosity)이라고 한다. 액체가 용기를 흐르고 채우는 것처럼, 공기는 이용 가능한 용기를 채우기 위해 팽창한다. 액체와 가스는 밀도 면에서 상당히 다르지만, 둘 다 이런 독특한 유체로서의 특성을 보인다. 공기의 유체특성을 이해하는 것은 비행원리를 이해하는 데 필수적이다. 점성(Viscosity)은 유체가 흐르지 않으려 하는, 즉 이동하지 않으려는 성질이다. 각각의 유체분자는 서로 붙어 있으려는 성질에 따라, 얼마나 흐르지 않으려 하는지를 결정한다. 높은 점성의 유체는 두껍고 잘 흐르지 않으며, 낮은 점성의 유체는 얇고 쉽게 흐른다. 공기는 낮은 점성을 가지고 있어 쉽게 흐른다. 점성에 대하여 두 개의 경우를 설명하면 이해하기 쉽다. 비슷한 양의 오일과 물을 동일한 경사로에 붓게 되면 두 액체는 점성이 다르므로 물은 자유롭게 흐르는 반면 오일은 느리게 흐르게 된다. 모든 유체는 점성을 가지며 흐름에 대한 저항을 가진다. 공기의 점성을 쉽게 관찰할 수 없지만 공기는 유체이고 점성을 가지기 때문에 물체 주위에 흐름에 대해 어느 정도 저항을 가진다. 유체가 물체 위나 주변을 흐를 때 작용하는 또 다른 요인을 마찰(Friction)이라 한다. 마찰은 표면 위로 물체가 움직일 때 겪게 되는 저항이다. 마찰은 두 개의 물체사이에 서로 접촉하면서 존재한다. 마찰의 효과는 다음의 예시를 들어 설명할 수 있다. 만약 동일한 유체를 동일한 경사로에 부으면 같은 속도로 흐를 것이다. 그러나 하나의 경사로 표면은 거칠고, 다른 하나의 표면은 깨끗하다면 흐름의 속도는 상당히 다를 것이다. 거친 표면의 경사로는 표면으로부터의 저항으로 인해(마찰) 유체의 흐름이 방해된다. 날개의 표면도 다른 물체의 표면처럼 어느 정도 거칠기 때문에 공기흐름에 대한 저항을 초래하고 날개 위의 공기흐름 속도를 늦춘다. 날개표면 위를 지나가는 공기는 점성과 마찰로 인해 표면에 들러붙는다. 날개표면 근처의 공기분자는 마찰과 표면의 거침으로 인하여 흐름이 방해를 받는다. 날개 표면에 붙어 있는 분자층을 경계층이라 한다. 공기의 경계층이 마찰에 의해 들러붙으면, 추가적인 공기흐름은 공기 자체에 붙으려 하는 점성에 의해 저항이 유발된다. 이 두 개의 힘(마찰과 점성)이 날개 위의 공기흐름을 방해하면서 항력(Drag)으로 작용된다. 압력은 물체의 표면에 수직 방향으로 작용하는 힘이다. 무게가 물체의 표면에 가해지는 것으로 압력의 크기가 측정된다. 물체 안에 완전하게 담긴 유체는 물체의 전체 표면 주위로 일정하게 압력을 골고루 전달한다. 압력이 가해진 표면의 압력보다 다른 쪽 물체 표면의 압력이 작아지면, 물체는 압력이 작은 쪽으로 움직인다. 대기는 기후변화의 기본으로 작용하고 항공기를 부양(Lift)하게 해 주며, 중요한 비행계기를 작동시킨다. 대기압(Atmospheric pressure)에 영향을 받는 계기는 고도계, 속도계, 승강계, 다기관(manifold) 압력계기가 있다. 공기는 매우 가볍지만 질량을 가졌기 때문에 중력의 영향을 받으며 다른 물질처럼 무게를 가지고 무게로 인하여 힘을 가진다. 공기는 유체이기 때문에 힘은 모든 방향으로 동일하게 가해진다.
양력 발생 원리 (Therories in the Production of Lift)
공기보다 무거운 항공기가 비행을 해내기 위해서는 극복해야 할 몇 가지 사항이 있다. 그중 하나는 항력이라 불리는 것으로 항공기 운동에 대한 저항력이다. 그러나 극복해야 할 가장 큰 문제는 중력이다. 이를 극복하는 힘이 양력인데 양력은 항공기가 대기층을 움직이면서 항공기의 날개에서 발생시킨다. 날개에서 발생하는 양력은 항공기 무게보다 같거나 크고, 중력의 방향과 반대로 작용하며 항공기를 부양시킨다. 양력을 발생하는 원리는 뉴턴의 운동 법칙과 베르누이의 정리에 기초를 둔다. 뉴턴의 운동의 법칙(Newton's Basic Laws of Motion)이란, 양력의 크기를 구하는 공식은 역사적으로 지난 수세기 동안 항공기의 운동을 설명하는 기초적인 물리법칙의 하나였다. 이 법칙은 겉보기에 양력의 모든 측면에서 적용이 가능한 것처럼 보이나 양력이 어떻게 생성되는지는 자세히 설명해 주지 못한다. 비행 중인 항공기에 작용하는 힘을 다루는 물리 법칙들은 성공적으로 항공기를 날리기 이전에 개발된 가정이론으로부터 채택되었다. 이러한 물리적 법칙의 사용은 1600년대 유럽에서 시작된 과학혁명에서 발전되었다. 우주는 인간의 이해를 통하여 예측할 수 있는 방식으로 움직인다는 믿음에 힘입어 많은 철학자, 수학자, 자연과학자 및 발명가들은 그들의 일생을 우주의 비밀을 푸는 데 바쳤다. 그중에 가장 잘 알려진 한 사람이 만유인력의 법칙을 만들고 3가지 운동법칙을 설명한 아이작 뉴턴 경(Sir Issac Newton)이다. 뉴턴의 3가지 운동법칙은 다음과 같다. 제1법칙(관성의 법칙): 모든 물체의 질량중심은 그 상태를 바꿀만한 힘이 강제로 주어지지 않는 한 정지 상태를 유지하거나 일정한 운동을 하여 진행 방향으로 계속 움직이는 상태를 유지하려는 성질로서 이는 어떤 외부의 힘이 가해질 때까지 움직임을 멈추거나 시작하지 않는 것을 의미한다. 주기장에 서있는 항공기에 관성을 극복할 힘이 가해지지 않으면 항공기는 그대로 정지 상태로 남아있다. 일단 물체가 움직이면, 관성은 그 물체를 계속 움직이도록 하고, 그 물체에 다양한 방향에서 다른 힘들이 작용하면 그에 따라 다양한 방향으로 움직이도록 한다. 이러한 힘들은 그 물체의 움직임에 가산되거나, 속도를 늦추거나, 방향을 변경시킬 수도 있다. 제2법칙(운동 법칙): 운동의 결과 물체에 작용하는 힘의 크기는 시간 변화에 대한 운동량 변화와 같다. 즉, 힘은 질량에 가속도를 곱한 것과 같다(F=ma). 이를 다르게 표현하면 물체에 일정한 힘이 가해질 때 그 결과 가속도는 물체의 질량에 반비례하고 가해진 힘에 비례한다(a=F/m). 제3법칙(작용과 반작용의 법칙): 모든 운동의 작용에 대해 반대의 방향으로 작용하는 반작용이 있다는 법칙으로 예를 들어 프로펠러 추진 항공기는 프로펠러를 회전시켜 공기를 뒤로 밀어내고, 밀어내는 공기의 반작용 힘으로 비행기를 앞으로 전진시킨다. 제트 비행기에서는 엔진에서 연소된 고온 고압의 배기가스를 뒤로 밀어내어 그 반작용으로 비행기를 앞으로 전진시킨다. 뉴턴이 운동의 법칙을 만들어내고 반세기가 지난 후에 스위스 수학자인 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli)는 움직이는 유체(액체 혹은 가스)의 압력이 운동 속도에 따라 어떻게 변화하는지 설명했다. 베르누이는 움직이는 유체(액체 혹은 가스)의 속도가 증가하면, 유체의 압력은 감소한다는 것을 증명하였다. 이 원리는 항공기 날개의 굴곡진 윗부분을 지나가는 공기흐름의 결과가 어떻게 일어나는지 설명한다. 베르누이 정리는 벤투리관(venturi tube)을 이용하여 이해할 수 있다. 벤투리관은 입구를 지나 점점 통로가 좁아지고 좁은 통로를 지나면 다시 통로가 점점 넓어져 공기가 배출되는 관으로 되어 있다. 배출구의 지름은 유입구와 같다. 관으로 유입되는 공기의 질량은 관 밖으로 나가는 질량과 정확히 같아야 하므로(질량보존의 법칙) 좁은 부분 지점에서 같은 양의 공기가 통과하렴녀 속도가 증가하여야 한다. 공기 속도가 증가하면 압력은 감소하며, 좁은 지점을 지나면, 공기흐름은 다시 느려지고 압력은 증가한다. 공기는 하나의 잘량을 가진 유체이기 때문에 공기 흐름이 뉴턴과 베르누이의 법칙에 적용되므로 어떻게 항공기 날개가 양력을 발생시키는가를 알 수 있다. 날개는 공기를 통해 움직이기 때문에, 굴곡진 윗면을 지나가는 공기의 흐름은 속도를 증가시키고 저압 지역을 생성한다. 뉴턴과 베르누이 그리고 우주의 물리법칙을 연구한 다른 수백 명의 초기 과학자들이 양력이 어떻게 생성되는지에 대한 현대 관점에 큰 통찰력을 제공했다.