항공기가 비행 중에 항공기에 작용하는 기본적인 4가지 힘이다.
항공기에 작용하는 힘은 여러 가지가 있지만 가장 기본적으로 비행하는 데에 있어 이해해야할 힘은 4가지로 추력(Thrust), 항력(Drag), 양력(Lift), 중력(Gravity) 혹은 무게(Weight)가 있다.
추력(Thrust)은 프로펠러, 제트 엔진 등이 항공기의 뒤쪽(꼬리쪽)으로 공기를 밀어내어 작용-반작용을 통해 항공기가 앞으로 나아가도록 하는 힘이다.
항력(Drag)은 앞으로 나가는 항공기에 저항하여 항공기의 뒤쪽으로 작용하는 일종의 공기에 의한 마찰력으로 만약 엔진 추력이 상실되면 항력에 의해 비행기는 급속히 혹은 서서히 앞으로 나아가는 속도를 잃을 것이다. 공기가 없으면 항력도 없을 것이다. 항력에는 유해항력, 형도항력, 조파항력과 같은 여러 종류가 존재한다.
양력(Lift)은 항공기가 앞으로 나아가면서 날개 윗면과 아랫면의 압력 차이에 의해 수직으로 생성되어 항공기를 위로 띄우는 힘이다. 자세한 내용은 양력을 참조.
중력(Gravity) 혹은 무게(Weight)는 항공기와 지구가 서로 당기는 힘으로 양력보다 중력이 크다면 비행기는 뜨지 못할 것이다.
이 힘들은 서로에게 영향을 미치는데, 이를 정리하면 다음과 같다.
- 추력은 양력을 만든다. 추력에 의해 항공기는 앞으로 전진하게 되며, 이는 정지해 있는 공기에 대해 항공기가 상대속도를 가지게 만든다. 달리 생각해 보면 항공기 입장에서는 바람이 앞에서 불어오는 것 처럼 느껴진다. 이 "바람"은 날개에 공기의 흐름을 만들고 날개의 윗면과 아랫면의 캠버(곡률) 차이에 의해 날개의 윗면과 아랫면을 각각 타고 흐르는 공기 흐름의 속도가 달라지게 되며, 이는 윗면의 더 빠른 공기가 더 낮은 압력을 가지게 하여 결과적으로 날개의 아래에서 위로 밀어내는 양력을 만든다. 양력은 항공기의 현재 속도와 비례한다.
- 추력은 방향을 조절 가능하다. 비행기는 꼬리날개를 사용하여 자신이 바라보는 방향을 제어할 수 있다. 항공기의 기본 3축 참조. 이러면 엔진의 방향이 바뀌어 추력의 방향이 바뀐다. 즉, 기수를 들면 추력이 위쪽 방향으로 생기고, 기수를 내리면 그 반대이다.
- 항력은 받음각에 따라 양력을 만든다. 비행기는 기수의 방향을 달리하여 바람이 자신의 날개에 부딪히는 각도를 조절할 수 있다. 비행기가 수평으로 진행하다 기수를 드는 상황을 생각해보자. 비행기는 방금 기수를 들었기 때문에 진행방향은 여전히 수평이다. 그렇지만 날개는 기울여져서 아랫면으로 바람을 받게 되고, 이러면 결과적으로 날개 아랫면에 바람이 부딪히는 것과 같은 효과이기 때문에 결과적으로 주익 연직 방향으로 상승하려는 힘, 즉 양력이 생긴다.
- 받음각은 항력을 조절한다. 받음각이 커지면 양력이 증가하지만, 무작정 받음각을 높일 수 없는 이유. 받음각이 커지면 주익이 기울여지기 때문에 기체가 휩쓸고 지나가는 면적이 커져서 면적 법칙에 따라 항력이 커진다. 커진 항력은 속도를 줄이기 때문에 결과적으로 양력이 감소한다. 따라서 비행기는 실속에 빠진다.
참고) 비행기가 하늘을 나는 원리 (동영상)