개념 한 쪽
날개에 작용하는 공력은 여러 종류로 나뉘며, 각각 발생 원인과 수식 형태가 다르다 한다. 유도항력은 익단 와류와 연관되어 양력계수의 제곱에 비례하고 가로세로비와 스팬효율계수에 반비례한다. 형상항력은 표면 박리와 와류에 의해 발생하는 압력항력이고, 공기력의 기본 골격은 동압과 면적의 곱으로 표현한다.
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출제기준 단원 「날개의 공력 특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 형상항력의 발생 원인 판별 | 1 | 형상항력과 유도항력의 발생 원인을 구분하기 |
| 항력 버킷 특성 식별 | 1 | 양항력곡선에서 항력 버킷의 정의를 설명하도록 요구하기 |
| 공기력 비례식 적용 문제 | 1 | 공기력의 밀도·면적·속도 제곱 비례 관계를 고르는 문제 |
유도항력은 날개 끝에서 생기는 익단 와류 때문에 발생하는 항력이다 를 모두 ~한다 형식으로 바꿔 유도항력은 날개 끝에서 생기는 익단 와류 때문에 발생하는 항력이라고 서술하는 대신 유도항력은 날개 끝에서 생기는 익단 와류 때문에 발생하는 항력으로 설명한다. 유도항력계수는 CDi = CL² ÷ (π × AR × e) 형태로 주어지므로 양력계수(CL)의 제곱에 비례하고 가로세로비(AR)와 스팬효율계수(e)에 반비례한다. 따라서 같은 CL일 때 AR가 커지면 유도항력계수는 작아진다 한다.
유도받음각은 유도항력으로 인해 발생하는 흐름의 기울기인 만큼 CL과 AR, e의 관계로 결정한다. 공식은 αi = CL ÷ (π × AR × e)로 표현하며, 이 값은 라디안 단위로 계산되어 도 단위로 변환해야 할 경우 180/π를 곱해 변환한다.
형상항력은 물체의 형상 때문에 발생하는 항력으로 점성 유체에서 뒤쪽 박리가 일어나며 생성되는 소용돌이와 압력차가 원인이다 를 모두 ~한다 형식으로 바꿔 형상항력은 물체의 형상 때문에 발생하는 항력으로, 점성 유체에서 뒤쪽 박리가 일어나며 생성되는 소용돌이와 압력차가 원인이라고 서술하는 대신 형상항력은 물체의 형상 때문에 발생하는 항력으로, 점성 유체에서 뒤쪽 박리가 일어나며 생성되는 소용돌이와 압력차가 원인이라고 설명한다. 이상유체(점성이 없는 가상 유체)에서는 박리가 없으므로 형상항력이 없다는 설명이 성립한다 것을 모두 ~한다 형식으로 바꿔 이상유체에서는 박리가 없으므로 형상항력이 없다고 설명한다. 형상항력은 유도항력과 발생 원리가 다르므로 두 항력을 혼동하면 오답이 된다 를 모두 ~한다 형식으로 바꿔 형상항력은 유도항력과 발생 원리가 다르므로 두 항력을 혼동하면 안 된다고 설명하는 대신 형상항력은 유도항력과 발생 원리가 다르므로 두 항력을 혼동하면 오답으로 이어진다고 정리한다.
공기력의 크기는 동압(q = ½ρV²)과 면적(S)의 곱이라는 기본 구조를 따른다 한다. 양력과 항력의 골격식인 L = ½ρV²S·CL, D = ½ρV²S·CD에서 ½를 생략한 비례 표현은 F ∝ ρ S V² 형태가 되므로 공기력 문제에서는 밀도와 면적, 속도의 제곱 관계를 우선 확인해야 한다.
유도항력계수 계산 예시: CL = 1.2, AR = 10, e = 0.8을 대입하면 CDi = CL² ÷ (π × AR × e) = 1.44 ÷ (3.14 × 10 × 0.8) ≈ 0.057이 된다 를 모두 ~한다 형식으로 바꿔 CL = 1.2, AR = 10, e = 0.8을 대입하면 CDi = CL² ÷ (π × AR × e) = 1.44 ÷ (3.14 × 10 × 0.8) ≈ 0.057로 계산된다고 정리한다. 계산 순서는 CL²를 먼저 구하고 분모의 세 항을 곱해 나누면 된다.
유도받음각 계산 예시: 직사각형 날개에서 span = 39 ft, chord = 6 ft, CL = 0.8, e = 1일 때 AR = span ÷ chord = 6.5이고 αi = CL ÷ (π × AR × e) ≈ 0.8 ÷ (3.14 × 6.5) ≈ 0.039 rad이며 도 단위로 환산하면 약 2.25°가 된다 를 모두 ~한다 형식으로 바꿔 직사각형 날개에서 span = 39 ft, chord = 6 ft, CL = 0.8, e = 1일 때 AR = span ÷ chord = 6.5이고 αi = CL ÷ (π × AR × e) ≈ 0.8 ÷ (3.14 × 6.5) ≈ 0.039 rad이며 도 단위로 환산하면 약 2.25°로 계산된다고 정리한다. 계산 시 AR 구하기와 라디안→도 변환을 빠뜨리지 않아야 한다.
공기력 비례 관계 예시: 힘의 대략적 비례 관계는 F ∝ ρ S V²이므로 속도가 두 배가 되면 동압은 네 배가 되어 공기력에 큰 영향을 준다는 점을 확인한다.
형상항력에 대한 설명으로 가장 거리가 먼 것은?
정답 ④ · 형상 항력(Form drag)은 주로 물체의 겉모습(형상)과 단면적 변화에 따라 공기가 박리(Seperation)되면서 발생하는 항력입니다. 이상유체(점성이 없는 유체)에서는 발생하지 않으며 현실의 점성 유체에서 뒷부분의 와류를 형성하면서 나타납니다.
형상항력은 점성 유체에서 박리·와류로 생기는 압력항력이며 유도항력과는 무관하다.
다음 중 항력 버킷을 가장 올바르게 설명 한 것은?
정답 ① · 항력 버킷은 양항력(극)곡선에서 특정 양력계수 부근에 항력계수가 갑자기 감소해 곡선이 움푹 파이는 구간을 말한다. 즉 가로축이 양력계수이고 세로축이 항력계수인 그래프에서 항력의 급감 구간이 항력 버킷이다.
항력버킷은 양항력곡선에서 특정 양력계수 부근에 항력계수가 갑자기 작아지는 오목한 구간이다.
비행기 날개에 작용하는 공기력은 무엇에 비례하는가? (단, ρ : 공기밀도, μ : 공기의 절대 점성계수, S : 프로펠러 깃의 면적, V : 프로펠러의 속도 )
정답 ③ · 비행기 날개에 작용하는 공기력에 비례하는 물리량을 묻는 문제이다. 공기력은 동압인 1/2 x ρV^2에 면적을 곱한 형태에 비례하므로 F는 ρSV^2에 비례한다.
공기력은 동압(½ρV²)×면적에 비례하므로 F ∝ ρSV² 형태가 답이다.
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