개념 한 쪽
수평으로 일정한 속도와 고도를 유지하는 등속수평비행은 힘의 평형 상태를 전제로 한다. 이 상태에서 양력과 중량, 추력과 항력의 관계를 올바르게 이해하면 정답을 빠르게 고를 수 있다. 또한 수평비행 조건을 이용해 양력식으로 중량을 계산하는 문제가 자주 출제된다.
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출제기준 단원 「수평비행성능」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 양력식 계산 문제 | 1 | 수평비행 조건으로 양력식을 이용해 중량을 계산하기 |
| 등속수평비행 조건판단 | 1 | 네 힘의 방향별 균형 관계를 판정하기 |
| 급강하 힘관계 구별 | 1 | 급강하 상태에서 성립하는 힘의 등식 선택하기 |
등속수평비행은 가속도가 0인 상태로, 작용하는 힘들이 평형을 이루는 비행형태이다. 수직 방향 성분에서는 위로 작용하는 양력 L과 아래로 작용하는 무게 W가 같아야 하므로 L = W가 성립한다. 수평 방향 성분에서는 앞으로 미는 추력 T와 뒤로 받는 항력 D가 같아야 하므로 T = D가 성립한다.
힘의 평형은 항상 같은 작용선상의 성분끼리 비교해야 한다. 따라서 양력과 항력처럼 방향과 성질이 다른 힘을 등호로 연결하는 것은 옳지 않다. 보기에서 네 힘(L, D, T, W)의 짝을 올바르게 맞추는 것이 핵심이다.
수평비행 조건은 성능 계산에 바로 활용할 수 있다. 예컨대 중량을 묻는 문제에서는 L = W를 이용해 양력 식 L = CL·(ρV²/2)·S에 대입하면 된다. 속도의 단위 환산과 1/2 계수의 취급이 계산 정답을 결정짓는 자주 등장하는 실수 포인트이다.
급강하나 활공 등 다른 비행상태와 대비하면 출제자 의도를 빠르게 파악할 수 있다. 예를 들어 급강하에서는 받음각이 작아져 L ≈ 0이 되고 항력과 무게의 관계가 주요 판단 근거가 된다.
대표 계산: 날개면적 S = 100 m², 속도 V = 400 km/h, 양력계수 CL = 0.6, 공기밀도 ρ = 0.125 kg·sec²/m⁴일 때 중량 W를 구한다. 수평비행이므로 W = L = CL·(ρV²/2)·S를 사용한다. 속도 환산 V = 400 km/h ÷ 3.6 ≈ 111.1 m/s를 대입하면 W ≈ 0.6 × (0.125 × 111.1² ÷ 2) × 100 ≈ 46,300 kg 정도가 된다. 계산 시 km/h를 m/s로 바꾸지 않거나 1/2 항을 빠뜨리면 값이 크게 달라지므로 주의한다.
오답 유인과 소거법: 등속수평비행 문항에서는 '위아래 = 양력과 무게, 앞뒤 = 추력과 항력' 두 쌍만 기억하면 즉시 정답을 고를 수 있다. 급강하나 활공 문제와 혼동하지 않도록 비행형태를 먼저 판정한 뒤 힘의 분해식을 세우는 습관을 들인다.
날개면적이 100m²인 비행기가 400 km/h 의 속도로 수평 비행하는 경우에 이 항공기의 중량은 얼마정도 되는가? (단, 이때의 양력계수는 0.6 이며, 공기밀도는 0.125 kg .sec2/m4 이다.)
정답 ① · 수평비행 중인 항공기의 중량을 양력 공식으로 구하는 문제이다. 수평비행에서는 양력과 중량이 같으므로 W = L = CL·(ρV²/2)·S를 이용한다.
수평비행에서는 양력=중량이므로 W = CL·(ρV²/2)·S에 대입하면 약 46300kg이다.
항공기가 등속수평비행을 하기 위한 조건은 어느 것인가? (단, 양력:L, 항력:D, 추력:T, 무게:W)
정답 ② · 항공기가 등속도로 수평 비행을 유지하기 위해서는 비행 방향과 수직 방향의 모든 힘이 평형을 이루어야 합니다. 수직 방향으로는 항공기의 무게(W)와 양력(L)이 서로 크기가 같아야 하며(L=W), 수평 방향으로는 항공기를 전진시키는 추력(T)과 공기 저항인 항력(D)이 같아야(D=T) 합니다.
등속수평비행 조건은 수직으로 L=W, 수평으로 D=T가 동시에 성립하는 힘 평형이다.
항공비행의 한 종류인 급강하 비행시 비행기에 작용하는 힘을 나타낸 식으로 가장 올바른 것은? (단, L=양력, D=항력, W=항공기의 무게)
정답 ② · 비행기가 급강하(Dive) 비행을 할 때는 받음각이 매히 작아지기 때문에 양력(L)은 거의 0에 가깝게 됩니다. 수직에 가까운 급강하 상태에서는 항공기의 무게(W)가 아래쪽으로 작용하고 공기저항에 의한 항력(D)이 위쪽으로 작용하여 무게와 항력이 평형을 이루는 종단비행을 하게 됩니다.
급강하에서는 양력≈0이고 무게 W와 항력 D가 평형을 이루는 종단 상태가 되어 D=W가 된다.
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