엄마, 비행기는 어떻게 하늘을 날아요?
양력 - 베르누이 원리와 공기저항
리원: 그나저나 이제 엄마랑 본격적인 여행이네요? 제주도 가서 우리 뭐해요?
엄마: 배도 타고, 맛있는 회도 먹고... 그나저나 리원이는 비행기 처음 타보나?
리원: 네. 완전 기대돼요. 스튜어디스 누나들이 너무 예뻐서 좋고요...
엄마: ... 밝히긴... 꼭 자기 아빠야...
리원: 네?
엄마: 아니야. 조그맣게 얘기했어. 그나저나 안 무섭니? 엄마는 대학생 때 처음 타봤는데 얼마나 무섭던지...
리원: 엄만 그랬어요? 무섭지는 않은데요. 도대체 이 무거운 비행기가 어떻게 하늘로 뜨는 거죠?
엄마: 궁금할 줄 알았다. 자, 여기 이 휴지를 입술 아래에다 붙이고 바람을 불어볼래? 어떻게 되지?
리원: 어라? 휴지가 떠오르네요? 신기해요...!
<그림> 휴지 위로 바람 불기엄마: 왜 그럴까?
리원: 글쎄요...?
엄마: 리원이가 휴지 위쪽으로 바람을 불면 휴지 위쪽의 공기는 빨라지고, 밀려날까?
리원: 그럴 것 같네요.
엄마: 휴지 아래쪽은 공기가 그대로 있겠지? 그러면 휴지 위, 아래 중에 공기가 어디에 더 많을까?
리원: 그건... 아래가 더 많겠죠.
엄마: 맞아. 그래서 휴지 위와 아래에 있는 공기의 압력 차이가 생겨. 즉, 휴지 아래쪽이 공기가 많아서 압력이 더 높아지지.
리원: 그러면 어떻게 돼요?
엄마: 세상의 모든 액체와 기체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 되어 있어. 물도 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르듯이, 공기도 흐르지.
리원: 아, 그러면 휴지 아래쪽의 공기 압력이 높기 때문에 휴지 위쪽으로 움직인다... 그래서 휴지가 떠오른다는 말씀이신가요?
엄마: 그렇지!!!
리원: 그런데 이게 비행기랑 무슨 관계가 있어요?
엄마: 그게 바로 비행기가 뜨는 원리란다.
리원: 그래요?
엄마: 이 큰 비행기가 사람과 짐을 가득 싣고 뜨려면 그 무게(중력)만큼 하늘로 올라가는 힘, 즉, 양력이라는 것이 있어야 돼.
리원: 그 양력이 어떻게 생겨요?
엄마: 비밀은 바로 비행기 날개에 있지. 좀 더 정확히 말하면 날개 위와 아래의 압력 차이가 양력을 만드는 거야. 아까 휴지 위, 아래의 압력 차이로 휴지가 올라갔듯이.
리원: 그런데 휴지는 우리가 위쪽만 바람을 불었는데 비행기 날개는 위아래로 다 바람이 지나가는 거 아니에요?
엄마: 이야~~~ 리원이 넌 역시 내 아들인가 보다. 어떻게 이렇게 날카로운 질문을...
리원: 아까는 아빠 닮았다면서요...
엄마: 됐거든. 암튼, 비행기 날개는 아랫면은 평평하게 윗면은 둥근 모양으로 생겼어. 이렇게 되면 날개의 윗면이 아랫면보다 공기가 빠르게 지나가게 돼. 그러면 날개 위쪽의 공기 압력은 작아지고 상대적으로 날개 아래쪽의 공기 압력이 높아져서 날개를 위로 밀어 올리게 되지. 그 힘으로 비행기가 떠. 이런 걸 베르누이 할아버지가 발견하셔서 베르누이 정리라고 해.
<그림> 비행기 날개의 양력
리원: 오... 베르누이 할아버지는 참 신기한 걸 발견하셨네요.
엄마: 그렇지? 사실 비행기가 뜨는 이유는 이외에도 또 있어,
리원: 뭐예요?
엄마: 차 타고 가면서 창문 밖으로 손을 내밀면 손이 뜨는 것 같은 느낌적인 느낌... 받은 적 있어?
리원: 맞아요. 손을 이렇게 살짝 기울이면 손이 떠올라요.
엄마: 그건 바로 공기가 손을 치고 아래로 내려가기 때문에 그 반작용으로 손이 위로 힘을 받기 때문이야.
리원: 비행기도 마찬가지예요?
엄마: 그렇지. 마치 손이 올라가는 것처럼 이륙할 때 비행기 날개가 공기 저항을 받도록 하여 반작용으로 양력을 일으킨단다.
리원: 이야, 이제 비행기가 떠요~. 베르누이 할아버지하고 공기저항 만세~!
[보다 자세한 설명]
베르누이 정리(Bernoulli's theorem)
베르누이 정리는 유체(액체나 기체)가 흐르는 속도와 압력의 관계를 수량적으로 나타낸 법칙으로, (유체의 압력)+(유체의 속도)^2+(유체의 높이)는 항상 일정하다는 법칙이다. 즉, 속도가 빠르면 압력이 낮아지고, 속도가 느리면 압력이 높아진다는 것이다.
우리 일상생활에서 베르누이 정리는 다양한 곳에서 관찰된다. 대표적인 예가 비행기가 뜨는 것, 호스의 물이 나오는 부분을 손으로 누르면 물의 속도가 빨라지는 것, 그리고 야구의 커브나 바나나킥같이 공의 진행 방향이 휘는 것 등이 있다.
