최근 방송된 EBS 다큐프라임 <바람의 혼, 참매>를 참 재미있게 봤다. 다큐멘터리 전체를 초고속 HD카메라를 사용하여 촬영했는지 너무나 아름다운 영상을 자랑하는 다큐멘터리였다. 참매는 나무 숲속을 중심으로 사냥을 하는 매로서, 속도보다는 곡예비행에 알맞도록 뒷꼬리가 크고 넓어서 방향을 자유자제로 피할 수 있는 새라고 한다. 우리나라에서는 그동안 번식이 확인되지 않았고 주로 만주 부근에서 번식해왔다고 알려졌었다. 그러나 이번 다큐에서는 한반도에서의 번식을 처음 확인했다고 한다.
그런데 이 다큐멘터리에는 물리와 관련된 딱 한 가지 장면이 나온다. 즉 참매가 비행하는 모습을 이용해서 비행에 필요한 양력을 설명하는 장면이다.
날개 주위에 회전하는 바람이 생긴다고 설명하는 장면
새나 비행기가 비행하기 위해서는 공중으로 떠오르려는 힘이 필요하다. 그래야 중력을 이기고 하늘로 올라갈 수 있기 때문이다. 그런데 공중으로 떠오르려는 힘은 어떻게 만들어질까? 양력이다. 내가 국민학교에 다닐 때 배운 바에 의하면 새나 비행기 날개 단면의 유선형 모양은 양력을 만들어 비행할 수 있도록 만들어준다.
방패연의 방구멍(연 중앙에 커다랗게 뚫은 구멍)의 역할이 양력을 크게 형성시키기 위해서라고 설명하는 책도 있었다. 내가 국민학교에 다닐 때 궁금했던 점은 양력이 날개에 형성된다면 새는 왜 날개짓을 할까 하는 문제였다. 날개에 자연스러운 양력이 발생한다면 새는 날개만 펴고 있어도 바람이 불기만 하면 날개에 양력이 생겨서 자연스럽게 하늘로 날아올갈 수 있어야 마땅하다. 이건 뭔가가 모순되는 점이 있는 것이 분명했다.
양력이란 무엇인가?
양력이 생기는 원리는 날개의 단면 모양과 연관되어 있다. 평행하게 흐르던 바람은 날개의 위와 아래로 나뉜다. 그렇게 되면 날개의 아래쪽으로
흘러간 바람은 아무런 장애를 받지 않으므로 똑바로 뒤쪽으로 흘러간다. 그러나 위쪽으로 흘러간 바람은 둥근 날개의 윗면을 타고올라 뒤쪽 경사면을
타고 내려와서 날개 끝에서 밑으로 흘러갔던 바람과 만나게 된다. 이 때 아래쪽으로 흘러갔던 바람보다 위쪽으로 흘러갔던 바람이 이동하는 경로가
길므로 위쪽으로 흘러간 바람의 속도가 더 빠르다. 바람의 속도가 빠르다는 것은 베르누이의 원리에 의해서 압력이 (속도에 반비례해서) 낮아짐을
뜻한다.
날개에서 양력이 발생하는 원리
양력에 대한 설명의 문제점
양력의 원리를 장황하게 설명한 뒤에는 항상 내가 국민학교에 다닐 때 가졌던 의문점이 생각난다. ‘왜 새는 날개짓을 하고, 비행기는 프로펠러를 돌려야 할까?’
양력의 설명은 한 가지 가정에서 출발한다. 날개의 위와 아래로 갈라진 바람이 다른 속도로 이동한다는 가정이다. 그래서 날개 위와 아래를 이동한 바람은 동시에 날개 끝에서 만난다고 생각한다. 그런데 정말 동시에 만날까?
사실 날개의 위와 아래로 갈라진 바람이 동시에 날개 끝에 도달할 것이라는 아무런 보장이 없다. 아니.. 전혀 만나지 않을 것이다. 날개 위와 아래로 갈라진 바람의 속도도 별로 차이가 나지 않는다. 대신 날개의 윗경사면에는 저압의 영역이 만들어진다. 반대로 날개 아래쪽에는 고압의 영역이 만들어진다.
새와 비행기의 날개의 공통점은 날 때 날개의 각도가 비스듬하다는 데 있다. 이 비스듬한 각도는 날개 아래쪽으로 흘러드는 바람을 밑으로 밀어낸다. 반대로 날개 위쪽에는 바람이 닿질 않는 영역이 생긴다. 바람이 날개에 의해 눌리는 곳은 고압이, 바람이 닿지 않는 영역은 저압이 형성되고, 이 압력의 차이에 의해서 중력을 거스르는 힘이 생긴다. (양력과 같은 결과를 가져오지만 설명은 전혀 다르다.)
다른 말로 하면 날개에 의해 바람이 밑으로 쏠리게 되고, 그 반작용으로 날개는 윗쪽으로 올라가는 힘을 받는다. 그렇기때문에 비행기나 새는 앞으로 끊임없이 나가야 한다. 새가 날개짓을 하는 이유나 비행기가 프로펠러를 돌리는 이유는 날개에서 생성된 힘 중 수평 뒤로 형성된 힘을 상쇄시켜주고 위로 향한 힘만 남기기 위해서다.
이는 날개를 멋진 유선형이 아닌 일반 나무판자를 비스듬히 달아놓아보면 확인할 수 있게 된다. 비행기의 날개를 유선형의 근사한 날개가 아니라 보통 나무판자로 붙여도 힘만 견딜 수 있다면 비행에는 전혀 지장이 없다. 다만 날개의 모양에 따라서 효율성이 변할 뿐이다. (생각해보면 초등학교나 중학교 때 만드는 고무동력기나 글라이더의 날개는 얇은 습자지였다. 또 종이비행기 날개는 유선형과는 거리가 멀다.)
다시 간단히 설명하자면, 비행기나 새는 바람을 밑으로 누르고 그 반작용 힘을 받아서 위로 떠오른다. 양력이란 힘은 애초에 존재하지 않았다. 이는 비슷한 다른 예를 많이 찾을 수 있다.
수영선수의 물질이 어떻게 수영선수를 앞으로 나가게 하는가? 발의 역할은 이야기할 꺼리가 못 되고, 손만 살펴보자면 수영선수의 손이 뒤에서 앞으로 갈 때는 팔꿈치가 접히기 때문에 나가는 방향에서 볼 때는 손의 면적이 매우 좁고, 앞에서 뒤로 갈 때는 팔꿈치가 펴지기 때문에 나가는 방향에서 볼 때 손의 면적은 상대적으로 넓어진다. 즉 이 때 나타나는 면적의 차이는 뒤로 보내는 물의 양의 차이를 발생시켜서 수영선수가 앞으로 나가게 만든다. 개나 북극곰이나 호랑이같은 동물들의 수영방법도 똑같다.
그러나 인간의 수영방법은 한계가 크기 때문에 펭귄, 물개, 고래 등은 앞발을 물고기의 앞지느러미같은 형태로 진화시켰다. 이들의 앞발은 위로 올라갈 때와 내려갈 때 모두 추진에 도움이 된다. (방향만 살짝살짝 바뀌는 간단한 행동이 이렇게 만든다.)
바람 한 점 없는 날에도 제자리에서 날 수 있는 몇몇 새의 경우는 어떨까?
꼭 정지비행이 아니더라도 새들의 날개짓도 비슷하다. 날개를 밑으로 내릴 때는 최대한 넓게 펴고, 날개를 올릴 때는 최대한 좁게 접는다는 기본원리를 철저히 지킨다.
 날개를 올릴 때 |  날개를 내릴 때 |
다시 처음 말씀드렸던 EBS 다큐프라임 <바람의 혼, 참매>를 살펴보자. 역시 양력을 설명하는동안 나왔던 장면인데, 날개짓을 하는 동안의 새의 모습을 잘 볼 수 있다.
ps.
이 글에 쓰인 3장의 이미지는 EBS 다큐프라임 <바람의 혼, 참매>의 캡쳐장면이다.
