베르누이의 원리-글라이더

정원의 꽃밭에 물을 주기 위해 호스를 사용할 때, 호스의 끝부분을 눌러 단면을 좁게 하면 물줄기가 멀리까지 뻗어나간다. 끝부분을 누르지 않았을 때와 눌렀을 때, 물줄기가 뻗어나가는 정도가 달라지는 것은 어떻게 설명할 수 있을까?

탐구활동 1 : 베르누이의 원리

1. 활동준비 : A4 용지, 가위, 투명테이프, 송곳, 낚시줄, 철제 스탠드, 헤어드라이어

2. 만들고 해보기 

가. A4용지를 아래 그림과 같은 크기로 자르고, 점선 부분은 접는다.

나. 끝부분을 풀이나 투명테이프로 붙여 그림과 같은 형태로 만들고, 구멍을 뚫은 후 낚시줄을 끼우고 철제 스탠드에 묶는다.

다. 헤어드라이어를 작동시켜 바람이 나오도록 하고, 바람이 접은 종이 옆면을 지나가게 하면서 접은 종이의 변화를 관찰한다.

[tip] 접은 종이는 비행기의 날개와 같은 모양을 하고 있어, 바람이 지나갈 때 종이 윗면과 아랫면에 압력차를 만들어 양력이 생기도록 한다. 낚시줄이 통과하는 구멍을 약간 여유있게 만들어 종이가 쉽게 오르고 내릴 수 있도록 한다. 

라. 접은 종이 단면의 높이를 다르게 하여 위 실험을 반복하여보자.

  

3. 설명하고 토론하기

가. 바람이 접은 종이를 통과할 때 접은 종이의 변화를 관찰하여 보자.

나. 왜 그런 현상이 나타나는가?

다. 헤어드라이어에서 나오는 바람의 세기를 다르게 하고, 각 경우에 접은 종이의 변화를 비교하여 보자. 바람의 세기에 따라 무엇이 달라지는가?

라. 접은 종이가 잘 떠오르는 가장 적절한 단면의 높이는 어느 정도라고 생각하는가?

탐구활동 2 : 하늘을 나는 무동력 글라이더

  * 아래의 도안을 다운받아 사용하세요.

글라이더 도안.hwp

1. 활동준비

 얇은 스타이로폼(모스 글라이더 제작용, http://www.scimall.co.kr/prod/view?sn=73221에서 구입 가능, 스타이로폼 대신 아주 얇은 종이를 사용할 수 있다.), 가위, 투명테이프, 도안, 우드락

2. 만들고 해보기 

가. 도안을 A4 크기에 맞춰 인쇄한다. 도안을 오려내고 얇은 스타이로폼에 투명테이프로 살짝 고정시킨 후 스타이로폼과 함께 가위로 자른다. 두 개의 긴 막대 모양으로 오려낸다.

나. 오려낸 스타이로폼(위 그림에서는 얇은 종이를 사용했음)을 도안의 화살표 길이만큼 어긋나게 놓고 투명테이프를 붙인다. 반대편도 투명테이프를 붙이고 가운데를 들어 입술 모양으로 벌어지게 한다.

다. 한 세트를 더 준비하고, 이번에는 양쪽 끝을 맞추어 풀 또는 투명테이프로 붙이고. 역시 가운데를 들어 입술 모양으로 벌어지게 한다. 입술이 잘 벌어지도록 여러 번 위 아래로 흔들어준다.

라. 완성된 입술을 위에서 가만히 놓고 아래로 떨어지는 모습을 관찰한다. 

[tip] 입술이 떨어지면서 회전할 수 있도록 놓는 순간 살짝 돌려준다. 여러 차례 연습하여 오래 공중에 머무를 수 있도록 지도한다. 입술이 잘 벌어져 있어야 회전하면서 공기 저항을 크게 받을 수 있다.

마. 우드락을 4절 크기로 잘라 두 손으로 잡고, 입술이 회전하는 앞에서 천천히 걷는다. 우드락을 들고 걸으면서 공기를 계속 앞으로 밀어주어 입술이 계속해서 공중에 떠 있을 수 있도록 한다. 

[tip] 글라이더의 모양, 크기, 판의 기울기 등을 다르게 하면서 오래 날을 수 있는 최적의 조건을 찾아보도록 지도한다. 학생들에게 다양한 모양의 글라이더를 만들도록 하고, 오래 날리기 대회를 하는 것도 좋은 방법일 듯 하다.

* 제작 및 시연 동영상

 

 

3. 설명하고 토론하기

가. 무동력 글라이더가 계속해서 비행할 수 있는 원리를 설명해보자. 

나. 무동력 글라이더를 잘 날을 수 있게 하기 위한 조건은 무엇일까?

** 활동후 생각해 보기 **

1. 비행기에 작용하는 힘에 대해 설명해보자.

 

가. 중력 : 지구에 의해 아래로 끌어당겨지는 힘으로, 중력의 크기를 무게라고 한다. 비행기의 무게가 작을수록 양력이나 추력에 이득을 볼 수 있다.

나. 양력 : 비행기 날개의 윗면과 아랫면을 통과하는 공기의 흐름에 의해 나타나는 압력 차이에 의한 힘을 양력이라고 한다. 양력이 클수록 많은 무게를 들어 올릴 수 있으므로, 여객기나 수송기의 경우에는 날개를 크게 한다.

다. 추력 : 비행기 엔진에 의한 힘으로 비행기를 앞으로 나아가게 하는 원동력이다.

라. 항력 : 공기 흐름에 의한 마찰력으로 비행기의 진행 방향과 반대 방향으로 작용한다. 이러한 공기의 저항(마찰력)을 줄이기 위해 자동차에서처럼 비행기의 동체를 유선형으로 만든다. 비행기는 위 네 가지 힘이 평형을 이룰 때 일정한 속도로 수평 비행을 하며, 양력의 크기를 조절함으로써 상승 혹은 하강하고, 추력을 조절함으로써 가속 또는 감속 비행을 한다. 비행기를 만들 때는 가능한 항력은 줄이고, 양력이 크게 발생할 수 있는 구조가 되도록 설계한다.

2. 글라이더의 기본 구조와 그 역할에 대해 생각해 보자.

가. 글라이더는 기본적으로 동체, 주날개, 수평꼬리날개, 수직꼬리날개의 4가지로 나누어진다.

나. 역할

  1) 동체 : 주날개, 수평꼬리날개, 수직꼬리날개를 고정시키는 역할을 한다.

  2) 주날개 : 글라이더를 활공시키는 양력을 발생시키는 역할을 한다. 그리고 상반각에 의해 가로(좌우방향)안정성을 유지한다.

  3) 수평꼬리날개 : 세로(앞뒤방향)안전성을 유지하고, 글라이더를 상하로 조정하는 역할이 있다. 글라이더의 경우에는 주날개와 같이 양력도 발생시킨다.

  4) 수직꼬리날개 : (회전)방향 안전성을 유지하고, 글라이더를 좌우로 선회시키는 역할을 한다.

3. 양력이 발생하는 원리를 설명해보자.

비행기 날개의 단면을 살펴보면, 아랫면은 대체로 편평하고 윗면은 약간의 곡면을 이루고 있다. 공기가 날개의 단면을 흐를 때, 윗면의 공기흐름 속도가 아랫면보다 빨라지므로 아랫면에 작용하는 압력이 윗면보다 상대적으로 높아져 결국 위로 떠받치는 힘, 즉 양력이 발생하는 것이다. 

  날개단면의 모양은 비행기의 설계목적에 따라 다르다. 저속비행을 하는 글라이더는 날개단면이 두꺼운 반면, 속도가 빠른 전투기 등은 날개가 비교적 얇다. 자동차를 타고 가면서 창밖으로 손바닥을 내밀어 손바닥에 전해오는 공기의 압력을 느껴보자. 이러한 느낌을 통하여 바람이 불어오는 방향에 따라 날개에서 발생하는 양력이 어떻게 달라지는지 알 수 있다. 즉 손바닥을 진행 방향으로 약간 들면 위로 들리는 느낌이 오며, 약간 더 들면 위로 들리는 힘 또한 증가함을 느낄 수 있다. 바람이 불어오는 방향과 손바닥의 경사(또는 날개의 경사)가 이루는 각을 ‘받음각(Angle of Attack)’ 이라 하는데, 일정한 속도에서 양력의 크기는 받음각에 비례하여 증가한다.

그러나 손바닥을 일정한 각도 이상으로 들면 들리던 힘은 급격히 감소하면서 뒤쪽으로 밀리는 힘이 강하게 느껴진다. 실속이 일어나는 원인은 위의 그림에서 보듯이 받음각이 일정수준이상이 되면 날개단면의 윗면을 흐르던 공기가 더 이상 날개표면을 따라 흐르지 못하고 이탈하기 때문이다.

고정날개를 가지고 있는 모든 비행기는 비행이 가능한 최저속도를 가지고 있는데, 그 이유는 최저속도 이하에서는 날개의 받음각이 일정수준을 초과하므로 실속에 의해 추락하기 때문이다.  

참고로 베르누이의 원리와 관련한 시뮬레이션(가상실험)을 참고하고 싶으시면 아래의 링크를 참고해 주시기 바랍니다. 관의 넓이에 따른 유체의 속력변화를 가상실험을 통해 확인하실 수 있습니다. 

링크

베르누이의 원리(가상실험)(http://yjh-phys.tistory.com/1503)