슈팅글라이더
보이는 과학 : IN LAB 012
받음각은 양력을 만들어 줍니다.
받음각의 양력을 이용하려면 항력을 극복해야 합니다.
비행기의 날개는 받음각을 형성하여 공기의 흐름을 아래 방향으로 바꿔 줍니다. 이로 인해 작용-반작용의 법칙에 따라 비행기가 상승할 수 있는 양력이 발생합니다.
하지만 받음각은 속도나 추진력이 충분하지 않으면 오히려 항력을 증가시켜 비행에 불리하게 작용할 수 있습니다. 손으로 던지는 종이비행기는 초기 속도가 크지 않기 때문에 아주 작은 받음각은 하강 속도를 늦추는 데 도움이 되지만, 받음각이 조금만 커져도 항력이 증가하여 비행이 불안정해질 수 있습니다.
종이비행기를 조금 더 견고하게 만들고 고무줄의 탄성을 이용해 초기 속도를 높여 주면 받음각에 의한 양력을 활용하여 비행기를 더 높이 날릴 수 있습니다. 이렇게 고무줄의 탄성, 압축공기의 힘, 강하게 던지는 힘을 이용해 날리는 비행기를 슈팅 글라이더라고 합니다.
슈팅글라이더
준비물 : 페이퍼파일럿 (오래 날리기 전용) Kit, 딱풀, 유리테이프
글라이더 kit는 "페이퍼파일럿"으로 검색하면 쉽게 구할 수 있습니다.
종이로 만드는 슈팅글라이더는 딱풀을 이용하여 붙이고 유리테이프 등을 이용해 보강하는 것이 좋습니다.
제작과정에서 다음 단계는 풀이 충분하게 마르면 진행해야 합니다.
페이퍼파일럿 kit는 제작과정에서 조금만 틀어져도 비행에 많은 영향을 받습니다. 정밀한 제작이 가능한 초등 고학년부터 운영이 가능합니다.
유아 및 초등저학년은 우드락으로 제작하거나 완성된 슈팅글라이더를 사용하는 것이 좋습니다.
(1) 도안에서 1번부터 7번까지 비행기 동체 도안을 떼어내어 준비합니다.
(2) 1번, 2번, 3번을 딱풀을 이용하여 붙여 줍니다.
(3) 4번에 6번을, 5번에 7번을 붙여 줍니다.
(4) 접는 선을 따라 바깥쪽으로 접어줍니다.
(5) (2)번과 (3), (4)번에서 제작한 동체를 붙여 동체를 완성합니다.
(6) 9번과 8번을 붙여 날개를 만들어 줍니다.
(7) 동체의 접힌 부분에 풀칠을 하고 날개를 붙여 줍니다.
(8) 동체와 날개가 떨어지지 않도록 테이프로 보강해 글라이더를 완성합니다.
(9) 날개를 조금 위쪽으로 접어 날개 상반각을 만들어 줍니다.
날개 상반각을 만들지 않고 글라이더를 날리는 경우 제작과정에서 생긴 미세한 뒤틀림 등으로 글라이더가 발사 직후 아래쪽으로 추락하는 현상이 발생할 수 있습니다.
페이퍼파일럿(오래 날리기 전용) kit는 상반각을 만들어 미세한 뒤틀림 등으로 생길 수 있는 비행불안정성을 보완해 줄 수 있습니다.
(10) 발사기 도안을 떼어내어 접는 선을 따라 접어 줍니다.
(11) 고무줄을 끼워 넣고 풀로 붙여 줍니다.
(12) 야외로 나가 글라이더를 날려 봅니다.
종이로 제작되는 슈팅글라이더는 발사 과정과 비행 중 생기는 충돌에 의해 뒤틀림과 부분적인 파손이 많이 생깁니다.
종이로 제작되는 슈팅글라이더를 날릴 때에는 발사할 때마다 동체나 날개의 뒤틀림 등을 보정해 주고, 테이프 등을 미리 준비하여 부분적인 파손을 수리하면서 날려야 합니다.
무게추를 이용한 무게중심과 공력중심 보정
준비물 : 페이퍼파일럿 (오래 날리기 전용) 완성 Kit, 클립, 테이프
(1) 글라이더 앞쪽에 클립을 끼우고 테이프로 고정시킵니다.
(2) 클립을 하나 더 동체 앞쪽에 끼어 주고 날려 봅니다. 추가하는 클립은 위치를 이동시켜야 하므로 테이프로 고정하지 않습니다.
(3) 클립의 위치를 동체 뒤쪽으로 이동시키면서 날려 봅니다.
보이는 과학
비행기 날개에서 공기의 흐름과 양력의 발생비행기 날개의 단면은 유선형으로 되어 있으며 이러한 날개 단면을 에어포일(airfoil)이라고 합니다.
에어포일 위를 흐르는 공기는 날개의 곡률과 기울기에 따라 아래쪽으로 굽어 흐르게 되며, 특히 비대칭 형상의 에어포일에서는 이 현상이 더욱 뚜렷하게 나타납니다. 공기가 아래로 흐르면서 발생하는 반작용의 힘은 날개를 위쪽으로 밀어 올려 양력(lift)을 발생시킵니다. 하지만 에어포일의 비대칭 형상만으로 만들어지는 양력은 비행기를 충분히 띄우기에는 부족할 수 있습니다.
이를 보완하기 위해 에어포일에 받음각(angle of attack)을 만들어 주면 공기의 흐름이 더 아래쪽으로 향하게 되어 더 큰 양력을 얻을 수 있습니다.
그러나 받음각이 너무 커지면 에어포일 윗면과 아랫면을 따라 흐르던 공기의 흐름이 분리되는 유동박리(flow separation) 현상이 발생하게 됩니다. 이로 인해 공기 흐름이 난류로 바뀌고 날개 표면의 저항이 증가하면서 항력(drag)이 급격히 커지게 됩니다.
페이퍼파일럿 글라이더는 무게중심이 날개의 뒤쪽에 있고 공력중심은 날개 중앙 부근에 있습니다. 글라이더가 발사되면 위쪽으로 작용하는 공력에 의해 글라이더의 머리 부분이 무게중심을 회전축으로 위쪽으로 향하게 되고 받음각을 만들어 줍니다.
빠른 초기속도에서 받음각은 양력으로 작용하고 글라이더를 상승할 수 있게 해 줍니다.
무게중심과 공력중심 간 거리의 영향
글라이더가 발사되면 날개에 작용하는 공력(양력)은 공력중심에서 작용합니다. 이때 무게중심이 공력중심보다 뒤에 있을 경우, 양력은 무게중심을 회전축으로 하여 글라이더의 머리를 위쪽으로 회전시키는 힘을 발생시킵니다. 이 회전은 지렛대의 원리와 같으며, 공력중심과 무게중심 사이의 거리가 멀수록 회전력이 커집니다. 결과적으로 받음각이 증가하고, 초기속도가 빠른 경우 이 받음각은 양력 증가로 이어져 글라이더가 상승하게 됩니다.
무게추가 없는 페이퍼파일럿 글라이더는 무게중심과 공력중심 사이의 거리가 비교적 멀게 설계되어 있기 때문에 발사 직후 빠른 초기속도에서 양력이 크게 작용하며 글라이더가 위쪽으로 솟구치며 한 바퀴 회전한 후 활강합니다. 그리고 이렇게 글라이더가 위쪽으로 솟구치며 한 바퀴 회전하는 비행은 글라이더가 멀리 날아가는데 장애로 작용합니다.
공력중심은 고정, 무게중심은 조정 가능
공력중심은 글라이더의 형상(에어포일 형상, 날개 위치 등)에 따라 결정되며, 비행 중에는 고정된 위치로 간주됩니다. 그러나 무게중심은 무게추(클립)를 이용하여 쉽게 앞뒤로 이동시킬 수 있습니다.
두 개의 무게추(클립)를 이용한 세밀한 무게중심 조절
하나의 무게추(클립)만 사용하면, 위치 변화에 따라 무게중심이 민감하게 반응하여 조정이 어렵습니다. 이러한 무게중심 위치의 민감한 반응은 두 개의 무게추(클립)를 이용하여 해결할 수 있습니다.
머리 앞쪽에 무게추(클립)를 고정하고 이동이 가능한 무게추(클립)를 동체에 추가해 주면, 이동이 가능한 동체의 무게추(클립) 이동을 통하여 무게중심의 위치를 이동시킬 수 있으며, 이동 가능한 무게추가 움직이는 거리 대비 무게중심의 이동은 작아져 더 정밀하게 무게중심을 조절할 수 있게 됩니다.
무게중심 위치 변화를 통한 글라이더의 비행
슈팅 글라이더는 일반적으로 높은 초기 속도로 발사됩니다. 이때 무게추를 이용해 무게중심의 위치를 조절함으로써 글라이더의 상승 정도를 조절할 수 있습니다. 이러한 무게중심 조절은 글라이더가 더 높이 상승하거나, 더 멀리 활강 비행할 수 있도록 돕습니다. 즉, 상승 조절은 비행 거리와 고도 조절에 중요한 요소로 작용합니다.
