드론(초경량비행장치)에 작용하는 힘의 원리
제목이 조금 길었습니다. 쉽게는 드론에 작용하는 힘에 대해서 말씀드리고자 합니다.
드론에 작용하는 힘은 4가지입니다.
양력, 중력, 추력, 항력
각각의 힘을 설명드리기에 앞서 힘이 어떻게 작용하는지는 아래 그림을 보시면 이해가 빠릅니다.
우선, 드론 자격시험 중 필기시험에 단골로 나오는 문제이고,
1종 실기시험을 응시하실 경우 실기시험 종료 후, 구술시험을 보는데 출제되는 문제이기도 합니다. ^^
첫 번째 양력은 쉽게 말해 기체를 상승시키는(뜨게 하는) 힘입니다. 양력은 앞선 포스팅에서 살펴본 드론의 고정된 날개에서 발생됩니다. 날개에서 발생하는 양력이 항공기 무게보다 같거나 크고, 중력의 방향과 반대로 작용하면서 드론을 상승시킵니다.
베르누이의 원리
양력 하면, 바로 "베르누이의 원리(Bernoulli's Principle of Differential Pressure)' 에 대한 설명이 나오게 되는데요. 표준교재에서는 다음과 같이 설명하고 있습니다.
스위스 수학자인 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli)는
움직이는 유체(액체 또는 가스)의 압력이 운동속도에 따라 어떻게 변화하는지 설명하였다.
베르누이는 움직이는 유체의 속도가 증가하면, 유체의 압력은 감소한다는 것을 증명하였다.
이 원리는 항공기 유선형 날개의 윗 부분을 지나가는 공기 흐름의 결과가 어떻게 일어나는지 설명한다.
베르누이 정리는 벤투리관(venturi tube)을 이용하여 설명할 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(질량 보존의 법칙)
좁은 지점에서 같은 양의 공기가 통과하려면 속도가 증가하여야 한다.
공기 속도가 증가하면 압력은 감소하며, 좁은 지점을 지나면,
공기흐름은 다시 느려지고 압력은 증가한다.
베르누이는 이상 유체(Ideal fluid)의 정상 흐름에서
유체의 에너지 총량은 항상 일정하다고 정의하였다.
즉, 이상 유체의 정상 흐름에서의 전압(Total pressure)은
정압(Static pressure)과 동압(Dynamic pressure)의 합으로
항상 일정하다고 정의하였다.
정압은 물체 표면에 수 직으로 작용하는 단위 면적당 공기력을 말하고,
동압은 유체 속도의 제곱에 비례하는 단위 면적당 공기력을 말한다.
유체의 밀도를 ρ라 하고 속도를 V라고 하면 동압 q는 q= 1 2 ρV2 식으로 표현된다.
이상 유체 의 정상 흐름에서 동일한 유선상의 정압과 동압 사이에는
“정압(P)＋동압(q)＝전압(Pt)＝일정” 관계가 성립된다.
유체 흐름에서 정압과 동압의 합은 일정한데 이를 전압 ( T o t a l pressure)이라 한다.
전압(Total pressure)을 유체의 유선에서 동일 유선상에 있는
두 지점 1, 2 사이의 에너지 관계를 수식으로 나타내면
이 관계를 베르누이의 정리(Bernoulli’s Theory)라고 한다.
이 관계를 정리하면 동압이 작은 지점은 정압이 크고 동압이 큰 지점은 정압이 작다는 것을 의미한다.
즉, 단면적이 큰 지점은 유속이 작고 유속이 작으면 동압이 작으므로 정압이 크고,
단면적이 작은 지점은 유속이 크고 유속이 크면 동압이 크므로 정압이 작다.
결과적으로 단면적이 넓은 지점은 정압이 크고 면적이 좁은 지점은 정압이 작다.
날개 에어포일의 윗면을 지나가는 공기의 흐름은 속도를 증가시키고 저압 지역이 생성된다.
이를 응용하면 날개 아랫면의 압력이 윗면의 압력보다 높아지게 되므로
날개를 위로 들어 올리는 공기력인 양력(Lift)이 만들어진다.
[출처 : 국토교통부 초경량비행장치 조종자 표준교재]
흠... 다시 봐도 참 어렵습니다. ^^
위의 에어포일 단면 사진을 보시면 단면 사진이 비행기의 날개입니다. 즉, 비행기가 움직이면서 날개에 공기의 흐름이 발생하면서 날개 아래의 압력이 날개 위의 압력보다 높아지면서 양력이 만들어지고, 비행기가 상승하게 되는 것입니다.
다음은 잘 아시는 중력~!!!! 힘은 지구 중심을 향하고 있으면서 양력과 반대되는 힘입니다.
추력은 공기 중에서 항공기를 전방으로 움직이게 하는 힘입니다. 고정익 항공기의 경우 뉴턴의 제3법칙 작용과 반작용의 법칙에 의해 제트엔진에서 고온,고압의 가스를 뒤로 분출함으로써 추력이 발생합니다.
드론(헬리콥터 포함)은 모터(엔진)에 의해 로터가 회전하게 되고, 회전하는 로터의 경사를 주어서 추력을 발생하게 합니다.
항력은 날개와 회전날개, 동체 등의 표면적이 마찰로 공기흐름에 대한 저항을 발생시키고, 이는 기체의 전진을 방해하는 힘입니다. 항력은 일반적으로 추력에 반대되는 힘입니다.
항력에는 유도항력(Induced drag)와 유해항력(Parasite drag)로 구분됩니다.
자세한 설명은 다음 기회에 해보겠습니다. ^^
위의 사진을 보니 방향이 좀 그렇네요. 추력은 전진하게 하는 힘인데 옆으로 움직일때 작용하는 힘처럼 보이네요. ㅠㅠ
이상으로 비행 중에 기체에 작용하는 4가지 힘에 대해서 간단하게 알아보았습니다. 읽어주셔서 감사합니다. ^^
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