종이비행기
보이는 과학 : IN LAB 011
무게를 극복하는데 추력을 이용하면 로켓입니다.
무게를 극복하는데 양력을 이용하면 비행기입니다.
로켓은 무게를 극복하는 데 추력(추진력)을 이용합니다. 로켓에 장착된 작은 날개(핀)에는 공기의 흐름에 의해 자세를 안정화시키는 복원력이 작용합니다. 이 복원력은 로켓이 곧게 날아가도록 도와줍니다.
비행기는 무게를 극복하는데 날개에 작용하는 양력을 이용합니다. 종이비행기는 손으로 던질 때 생긴 초기 속도로 앞으로 날아가며 비행을 시작합니다. 비행 중에 넓은 날개에 작용하는 양력이 무게를 극복하게 해 주며 종이비행기가 더 오래, 더 멀리 날 수 있게 해 줍니다.
종이비행기의 비행 성능은 무게중심과 공력중심의 상대적인 위치에 크게 영향을 받습니다. 공력중심은 종이비행기의 형태에 따라 거의 고정되어 있기 때문에 쉽게 바꿀 수 없습니다. 하지만 무게중심은 작은 무게추를 이용해 간단하게 앞이나 뒤로 이동시킬 수 있어 더 오래, 더 멀리 날리는데 활용할 수 있습니다.
종이비행기
준비물 : A4용지, 클립
접는 방법이 간단하여 가장 많이 접는 종이비행기를 이용합니다.
클립을 이용한 무게중심 이동 방법은 다양한 종이비행기에서 같은 방법으로 활용 가능합니다.
종이비행기 접는 순서입니다. 클립을 사용하지 않는 경우 중간에 접는 길이에 따라 무게중심의 위치가 이동하며 비행성능도 달라집니다. 일반적으로 접는 길이가 크면 무게중심이 뒤쪽으로 이동하고, 접는 길이가 작아지면 무게중심은 앞쪽으로 이동합니다.
이 실험에서는 클립을 이용하여 무게중심의 위치를 이동시키므로 접는 길이는 중요하지 않습니다.
(1) A4용지를 세로로 반 접어 가이드 선을 만들어 줍니다. (파란색 선이 가이드 선입니다.)
(2) 가이드선을 활용하여 A4용지 위쪽을 사선으로 접어 줍니다.
(3) 사진의 접는 선을 참고하여 사선으로 접인 부분을 아래쪽으로 접어 줍니다. 클립을 이용하여 무게중심을 이동시킬 수 있기 때문에 접는 길이는 중요하지 않습니다. 2~3센티미터 정도 접어줍니다.
(4) 위쪽을 다시 사선으로 접어주고 아래쪽 남아 있는 부분을 위로 접어줍니다.
(5) 뒤집어서 접는 선을 따라 접어 줍니다.
(6) 양쪽을 사선으로 접어 날개를 만들어 완성합니다.
(7) 종이비행기의 앞쪽에 클립을 끼워 날려보고 비행을 관찰합니다.
(8) 종이비행기의 중앙에 클립을 끼워 날려보고 비행을 관찰합니다.
(9) 종이비행기의 뒤쪽에 클림을 끼워 날려보고 비행을 관찰합니다.
보이는 과학
종이비행기는 상승기류 등 외부 힘의 영향이 없으면 항상 아래쪽으로 비행합니다. 고도가 낮아지면서 생기는 위치에너지의 차이는 운동에너지로 변환되어 종이비행기가 앞으로 비행할 수 있게 해주는 속도를 만들어 줍니다. 종이비행기는 상승기류나 속도가 극복해 줄 수 있는 매우 작은 받음각을 이용한 양력을 이용하여 고도를 높이거나 유지할 수 있습니다.
종이비행기처럼 자체적으로 추력을 만들어 주는 시스템 없이 고도 차이를 이용한 속도나 상승기류 등을 이용해 비행하는 것을 활공(Gliding)이라고 하고 이러한 비행체를 글라이더(Glider)라고 합니다.
에어로켓과 마찬가지로 활공하는 종이비행기에서도 무게중심은 공력중심보다 앞에 위치하는 것이 바람직합니다.
하지만 에어로켓과는 달리 종이비행기에서는 무게중심과 공력중심 사이의 거리가 너무 멀지 않은 것이 좋습니다.
에어로켓은 작은 날개를 가지고 있어 무게중심과 공력중심 사이의 충분한 거리가 자세를 안정시키는 복원력으로 작용하지만, 넓은 날개를 가진 종이비행기에서는 이 거리가 너무 크면 날개의 양력이 기체의 앞부분을 아래쪽으로 회전시키는 힘으로 작용하여 활공각이 커지면서 비행거리가 줄어들 수 있습니다.
따라서 종이비행기에서는 공력중심이 무게중심보다 약간 뒤에 위치하는 것이 안정적인 활공을 위해 이상적입니다.
반대로, 무게중심이 공력중심보다 뒤쪽에 위치하면 날개의 양력이 종이비행기의 앞부분을 위쪽으로 회전시키는 힘으로 작용하게 됩니다. 이로 인해 받음각이 만들어지고 비행기가 일시적으로 상승할 수 있지만, 동시에 받음각이 커져 항력이 증가하고 속도가 급격히 감소하면서 비행이 불안정해질 수 있습니다.
에어로켓: 복원력 위해 중심 간 거리 큼
종이비행기: 중심 간 거리 짧아야 활공각 안정
무게중심이 뒤에 있으면: 일시적 상승 가능 → 받음각 증가 → 항력 증가 → 속도 감소 → 비행 불안정
내가 만든 종이비행기는 왜 잘 날지 못했을까?
종이비행기에서 무게중심의 위치를 결정하는접는 길이(L) 
접는 길이(L)에 따른 종이비행기의 비행클립 등 무게추를 사용하지 않는 경우 무게중심과 공력중심의 위치는 접는 길이에 의해 결정됩니다. 접는 길이(L)가 달라지면 무게중심과 공력중심의 위치가 서로 반대방향으로 이동하기 때문에 거리의 차이가 더 크게 변합니다.
접는 길이(L)가 작은 종이비행기는 무게중심이 공력중심보다 앞쪽에 위치하지만 거리가 너무 커 활공각이 커지면서 비행거리가 짧아지게 됩니다.
반면에 접는 접는 길이(L)가 큰 종이비행기는 무게중심이 공력중심보다 뒤쪽에 위치하게 되어 비행이 불안정합니다.
다른 사람들과 함께 종이비행기를 만들어 날렸는데 내 비행기만 잘 날지 못했다면, 내가 만든 종이비행기의 접는 길이(L)가 너무 컸기 때문 일 가능성이 큽니다.
바람이나 상승기류 등 외부 영향이 없다면 일반적으로 접는 길이(L)가 작은 종이비행기는 활공각의 차이는 있지만 비행은 안정적이기 때문입니다.
