공기역학

공기역학

공기역학(空氣力學, Aerodynamics)은 동역학의 한 분야로서 공기의 흐름을 다루며, 특히 움직이는 물체와 공기가 상호 작용할 때의 흐름을 다루는 학문이다. 영어로 에어로 다이내믹(Aerodynamics)이라고 한다.

개요

공기역학과 기체역학은 동의어로 쓰이는 경우가 많은데, 기체역학은 공기뿐 아니라 모든 기체에 적용된다는 차이가 있다. 물체 주위의 공기의 유동을 이해하면 그 물체에 작용하는 힘과 모멘트를 계산할 수 있다. 이러한 공기의 유동과 관련되는 성질로는 속도, 압력, 밀도, 온도 등이 있으며, 이 물리량들을 공간 및 시간의 함수로서 구하는 것이다. 유동장 주위에 제어 체적(control volume)을 정의하고 보존 법칙을 적용하여 이러한 물리량들을 계산하게 된다. 공기역학은 항공기에 대한 과학적 토대를 이루는 학문이며, 여기에는 수학적 해석, 실험적인 근사화 및 풍동 실험 등이 모두 사용된다.

역사

• 17세기 이전 : 17세기 이전 비행에 대한 기록은 역사 시대 전반에 걸쳐 등장한다. 이 중 가장 유명한 것은 이카루스와 데달루스의 이야기일 것이다. 아리스토텔레스나 갈릴레오 갈릴레이와 같은 이들은 공기 저항(즉, 항력)과 같은 공기역학적 효과들을 관찰하기도 하였다.

• 17세기 : 17세기 아이작 뉴턴은 공기 저항에 대한 이론을 만든 최초의 인물이며, 세계 최초의 공기역학자라 할 수 있다. 그는 자신의 이론에서 항력은 물체의 크기, 유체의 밀도 및 속도와 관계있다고 하였다.

• 18·19세기 : 18세기 및 19세기에는 다양한 형상에 대한 공기 저항 실험이 이루어졌다. 항력 이론은 달랑 베르, 키르히호프, 레일리 등에 의해 발전되었다. 마찰이 있는 유체 유동에 대한 방정식은 나비에 및 스토크스가 발전시켰다. 유체의 유동을 모사하기 위한 실험으로서, 물체를 흐르는 물에 담그거나 높은 건물에서 떨어뜨리는 실험도 행해졌다. 알렉상드르 구스타브 에펠은 자신의 에펠탑 이용하여 평판 낙하 실험을 하기도 하였다. 19세기 후반, 실제 항공기가 실현되기 전까지의 시기에 중요하게 여겨졌던 두 가지 문제가 있다. 그 하나는 항력이 작고 양력이 큰 공기역학적 형상의 날개를 만드는 일이었으며, 다른 하나는 비행을 유지하기 위해 필요한 동력을 어떻게 계산할 것인가 하는 문제였다. 바로 이 시기가 오늘날의 유체 동역학 및 공기역학의 기초를 다진 시기였으며, 더불어 과학적인 사고는 결여되었으나 열정만큼은 대단했던 많은 사람들이 다양한 비행 물체를 실험하여 수많은 실패를 낳았던 시기이기도 했다. 1889년, 프랑스의 항공공학자 샤를 레나르는, 비행을 유지하기 위해 필요한 동력을 최초로 합리적으로 계산하는 업적을 이루었다. 그 헬름홀츠(독일의 물리학자)와 더불어 새의 날개에 가해지는 부하를 연구하여, 결론적으로 인간은 팔에 날개 같은 것을 붙이더라도 자신만의 힘으로는 날 수 없다고 결론을 내렸다.

• 20세기 : 20세기 Chanute는 1893년까지 전 세계에서 행해진 모든 연구를 요약하는 책을 출판하여 공기역학 및 비행기에 관심이 있는 사람들에게 큰 도움을 주었다. 라이트 형제도 바로 이 책에 담긴 정보를 이용하였으며, Chanute 자신의 직접적인 도움도 받았다. 이를 바탕으로 라이트 형제는 1903년 12월 17일에 최초로 유인 비행기로 비행하는 인물이 되었다. 이들의 비행이 성공한 이후 비행사와 과학자 간의 협조가 더욱 조직적으로 이루어져, 비로소 현대 공기역학이 탄생하였다.

분야

초음속

비행기의 속도가 점차 빨라짐에 따라, 공기역학자들은 공기가 물체가 접촉하면 그 밀도가 바뀐다는 사실을 깨닫게 되었다. 이에 따라 유체 유동을 비압축성(incompressible) 영역과 압축성(compressible) 영역으로 나누게 되었다. 압축성 공기역학에서는 밀도와 압력 모두가 변화하며, 이 압축성 공기역학으로부터 소리의 속도(음속)를 계산할 수 있게 된다. 유동의 속도와 소리의 속도의 비를 마하 수(Mach number)라 한다. 이것은 초음속 유동의 성질을 연구한 최초의 인물 중 하나인 에른스트 마하의 이름을 딴 것이다. 그는 밀도의 변화를 가시화하는 데 쉴리렌 촬영법(Schlieren photography)을 사용하기도 했다. Rankine과 Hugoniot는 각각 충격파(shock wave) 전후의 유동 성질에 대한 이론을 개발하였다. Ackeret은 초음속 에어포일에서 양력과 항력을 계산하는 것에 대한 초기 연구를 주도하였다. 칼만과 드라이덴은 마하 1에 가까운 유동의 속도를 일컫는 말로 천음속(transonic)이라는 용어를 도입하였다. 천음속에서는 항력이 급격하게 증가하는데, 이러한 이유 때문에 공기역학자들과 비행사들 사이에서는 유인 초음속 비행이 가능한지에 대한 논란이 있기도 하였다. 1935년 9월 30일, 로마에서는 고속 비행과 초음속 비행의 가능성이라는 주제를 두고 학회가 열렸다. 여기에는 칼만, 프란틀, Ackeret, Jacobs, Busemann, Taylor, Crocco, Pistolesi 등이 참가하였다. 여기에서 Ackeret은 초음속 풍동의 설계를 발표하였다. Busemann은 고속 비행을 위해서는 후퇴익(swept wing)을 장착한 비행기가 필요함을 발표하였다. NACA에서 일하고 있던 Jacobs는 아음속 중에서도 고속에 속하는 영역에서 최적화된 에어포일 형상을 제시하였으며, 제2차 세계 대전 중 고성능의 미국 비행기 중 몇몇은 이 덕을 본 것이다. 이 학회에서는 초음속 추진에 대해서도 논의되었다. 12년 뒤에 Bell의 X-1 비행기에 의해 음속의 장벽은 마침내 깨어졌으며, 이는 일정 부분 이러한 사람들의 공로라 할 수 있다.

항공우주

공기역학은 항공우주공학뿐만 아니라 다른 여러 분야에서도 중요하게 사용된다. 공기역학은 자동차 등 모든 종류의 탈것을 설계하는 데에 중요한 요소가 된다. 또한 바다를 항해할 때 힘과 모멘트를 예측하는 데에도 중요하다. 하드 드라이브의 헤드와 같은 많은 부품들을 설계하는 데에도 사용한다. 구조공학에서 대형 건물이나 교각을 설계할 때에도 공기역학과 공 탄성(aeroelasticity)을 사용하여 바람에 의한 하중을 계산한다. 도시 계획, 도시 설계에서도 도시 공기역학을 사용하면 실외 공간의 편의성을 개선할 수 있고, 도시 오염의 영향을 줄일 수 있다. 환경 공기역학은 대기의 순환을 연구한다. 내부 유로 공기역학은 난방 및 환기, 가스 배관, 자동차 엔진 등 세부적인 유동 패턴이 엔진의 성능에 큰 영향을 미치는 분야에서 중요하다.

자동차

자동차는 공기 저항을 이겨내고 달리는 물체이니만큼 공기역학적 해석이 매우 중요하다. 공기 저항을 받으면 받을수록 차체는 무거워지고 동일한 힘을 내도 공기 저항으로 인해 생기는 압력과 힘이 자동차 연료를 더욱 소비하게 할뿐더러 공기 저항이 심할수록 차량의 안전성이 떨어지고 소음 역시 심하기 때문에 공기역학에 대한 해석과 효율적인 디자인을 포함한 공학적 설계는 자동차에 있어 필수적이다. 자동차에 대한 공기역학 연구는 1930년대로 거슬러 올라간다. 그 당시 속도와 연료 효율이 공기저항과 밀접한 관련이 있음을 알게 된 독일의 자동차 회사들은 공기 저항과 공기역학에 대한 활발한 연구를 진행했다. 이후 1970년, 전 세계적인 오일 쇼크 위기로 자동차 연비 효율에 대한 중요성을 인식하게 되었고 공기역학을 고려한 자동차 디자인 및 석계가 본격적으로 진행되었다. 2010년대에 들어서 친환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 공기역학 기술은 중요하게 작용했다.

관련기사

현대차의 전용 전기차 브랜드 아이오닉 6가 사전계약 첫날 3만 7446대라는 최다 첫날 계약 대수를 기록했다. 독일 자동차 전문지 '아우토 모토 운트 스포트(Auto Motor und Sport)'는 "공기역학적으로 뛰어난 전기차는 (1회 충전으로) 더 많은 거리를 달릴 수 있지만, 일반적으로 바닥에 깔린 배터리 때문에 차체를 낮게 만들거나 전면부 면적을 줄일 수 없다"라며 "반면 아이오닉 6는 외장형 액티브 에어 플랩 등 다양한 공력 분야 기술들이 대거 적용돼 양산차 중 최고 수준의 공기역학 성능을 달성했다"라는 평을 남겼다.

참고자료

• 〈공기역학〉, 《위키백과》
• 〈공자동차 공기역학은 '왜' 중요할까?〉, 《네이버 포스트》, 2020-06-17
• 곽지혜 기자 , 〈현대차, 아이오닉 6 최다 사전계약 기록 경신〉, 《전남일보》 , 2022-08-24

같이 보기

• 기능
• 설계
• 공학
• 디자인
• 자동차

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