어린이드론 드론을 알아봐요 2

어린이드론 포스팅을 시작합니다

이번 어린이드론 포스팅에서는 드론의 원리를 초등학생도 알 수 있도록 쉽게 배워보겠습니다. 앞선 포스팅에서 드론의 뜻과 종류에 대해서 살펴보았습니다. 이번 어린이드론 포스팅에서는 드론의 어떤 원리로 날 수 있는지 그 원리를 자세하게 알아보겠습니다. 이번 포스팅에서 드론의 원리를 잘 배우고 드론코딩을 잘할 수 있는 기초 지식을 쌓기 바랍니다.

 

드론교육 드론을 알아봐요 1

 

어린이드론 드론의 원리를 알아보겠습니다

비행기를 띄우는 힘을 양력이라고 합니다. 사람들은 ‘베르누이 정리’로 양력이 생겨서 비행기가 뜬다고 알고 있습니다. 베르누이 정리에 따르면, 공기 같은 유체의 속도와 압력은 반비례합니다. 속도가 빨라지면 압력은 낮아지고, 속도가 느려지면 압력은 높아집니다.

어린이 드론-양력: 유체의 흐름에 물체가 수직 방향으로 받는 힘

 

날개를 수직으로 잘랐을 때, 유선형의 단면 모양을 에어포일(airfoil)이라고 합니다. 에어포일 위를 흐르는 공기는 속도가 빨라지며 압력이 낮아지고, 아래를 흐르는 공기는 속도가 느려지며 압력이 높아집니다. 이렇게 위 아래에 압력 차가 생기고, 에어포일 아래의 높은 압력이 에어포일 위의 낮은 압력 쪽으로 날개를 밀어 양력이 생깁니다.

에어포일

 

공기가 누르는 힘을 ‘기압’이라고 하는데 이 기압 차로 비행기가 뜨는 것입니다. 1기압의 힘은 어느 정도일까요? 우리가 일상 받는 1기압의 압력은 10m 정도의 물기둥을 어깨에 이고 있는 상태에서 받는 압력과 비슷합니다. 만약 가로, 세로의 길이가 1m인 물기둥이 있다면 약 10m까지 올리는 힘이 1기압입니다. 무게로 계산하면 약 10톤의 무게(물 1㎥가 약 1톤)입니다.

 

이런 기압의 힘으로 면적이 넓이가 넓을수록 더 많은 무게를 위로 올릴 수 있습니다. 기압 차이로 양력을 발생하는 간단한 실험이 있습니다. 깔때기에 탁구공을 대고 바람을 불면 탁구공이 떨어지지 않고 뜨는 것을 볼 수 있습니다. 깔때기에 바람을 불면 기압이 낮아지고, 깔때기 밑 쪽의 기압이 높아져 탁구공이 뜨는 것입니다.

기압 차로 양력 발생

 

‘동시통과이론’으로 기압 차가 생긴다고 많은 교재나 블로그에서 설명합니다.

“에어포일 앞에서 만난 공기가 위-아래로 갈라지고, 에어포일 뒤에서 다시 만나야 한다. 따라서 위의 공기는 더 멀리 이동해야 하므로 빨라진다. 그러면 위쪽과 아래쪽의 압력 차이가 생겨서 양력이 생긴다.”

 

하지만 이 설명은 잘못되었습니다. 실제로는 에어포일 뒤에서 공기가 만나지 않고, 위쪽 공기가 더 빨리 움직입니다.

어린이드론 출처: NASA

 

 

 

그리고 베르누이 정리로만 비행기의 양력을 설명한다면 거꾸로 나는 비행기는 어떻게 설명할 수 있을까요? 거꾸로 뒤집힌 비행기 날개의 위-아래가 바뀌어서 비행기가 추락하지 않을까요? 위-아래가 평평한 날개인 비행기는 어떻게 날 수 있을까요? 또한, 베르누이 정리만으로는 비행기가 뜰 수 있는 충분한 양력이 생기지 않습니다.

 

양력은 베르누이 정리뿐만 아니라, 뉴턴의 법칙과 함께 설명해야 합니다. 뉴턴은 물체의 움직임과 그 원리를 ‘프린키피아’로 알려진 ‘자연철학의 수학적 원리’라는 책에 정리했습니다.

 

이 책은 총 3권으로 구성되어 있습니다. 1권과 2권은 물체의 움직임에 관해 체계적으로 정리했으며, 3권은 1권과 2권의 지식을 바탕으로 태양계의 구조를 설명했습니다. 1권과 2권의 내용이 바로 그 유명한 뉴턴의 운동 법칙입니다. 이 법칙으로 물체의 움직임을 분석하고 예측할 수 있게 되었습니다. 뉴턴의 운동 법칙은 다음과 같습니다.

뉴턴의 운동법칙

 

다음 그림에 날개를 지나는 공기의 흐름이 나타나 있습니다.

출처: NASA

 

왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 공기는 날개를 지나면서 위에서 아래 방향으로 속도가 변합니다. 공기의 흐름이 아래쪽으로 바뀌면, ‘작용-반작용의 법칙’에 의해 날개는 위쪽으로 향하는 힘인 양력 받습니다. 실제로 비행기 날개는 위와 같은 공기의 흐름을 만들기 위해 ‘받음각’이라는 것이 있습니다. 날개의 앞면이 진행 방향에 비해 약간 들려있음으로써 생기는 각도입니다.

연도 평평하지만, 작용-반작용 법칙으로 하늘을 날 수 있습니다. 그래서 비행기가 날기 위해서는 앞으로 빠르게 움직여야 합니다. 고정익 드론이 왜 활주로나 발사장치가 필요한지 알 수 있겠죠? 어린이드론 포스팅에서 정말 중요한 내용이니 꼭 기억하길 바랍니다.

 

어린이드론 드론이 어떻게 날 수 있는지 알아보겠습니다.

그러면 드론은 어떻게 날 수 있으며 왜 날개가 여러 개 필요할까요? 어린이드론 포스팅에서는 그 원리를 자세하게 알아보겠습니다. 먼저 헬리콥터를 살펴보겠습니다. 헬리콥터 몸체에는 큰 프로펠러가 있습니다. 이 프로펠러를 ‘로터(rotor)’라고 합니다. 몸체에 있는 로터를 ‘메인 로터(Main Rotor), 꼬리 쪽의 작은 로터는 ‘테일 로터(Tail Rotor)’라고 합니다. 헬리콥터와 같은 회전익 비행체는 프로펠러를 빠르게 회전시켜 양력이 생기게 합니다. 그래서 활주로가 없어도 수직으로 이·착륙할 수 있고, 제자리에서 비행할 수 있는 겁니다.

어린이드론 헬리콥터

 

테일 로터는 왜 필요할까요? 여기서 작용과 반작용의 법칙을 생각해봅시다. 로터가 회전하면 작용과 반작용의 법칙에 따라 헬리콥터 몸체(동체)가 반대 방향으로 회전합니다. 로터가 시계 반대 방향으로 회전하면 헬리콥터 몸체는 시계 방향으로 회전합니다. 테일 로터가 회전해서 헬리콥터 몸체가 반대로 회전하지 않도록 합니다. 테일 로터가 없으면 영화에서처럼 헬리콥터 몸체는 빙글빙글 돌 것입니다.

헬리콥터의 원리

 

이것이 회전익 비행체가 고정익 비행체보다 에너지 효율이 떨어지는 이유 중 하나입니다. 테일 로터의 힘은 회전익 비행체가 뜨는 데 사용하는 것이 아니고 메인 로터의 회전력을 상쇄시키기 위해 사용하기 때문에 에너지를 소모하는 것이죠. 그리고 움직이기 위해서 메인로터에는 복잡한 장치가 필요합니다. 이런 장치들이 없으면 단순히 위-아래로만 움직입니다.

 

드론의 원리 - 이륙 & 조종원리:엔조이드론

 

드론을 보면 시계방향으로 회전하는 프로펠러가 있고, 시계반대 방향으로 회전하는 프로펠러가 있어서 회전에 따른 반작용을 상쇄시킵니다. 헬리콥터의 테일 로터와 달리, 프로펠러 모두 양력을 발생시키는 데 사용하므로 에너지 효율이 높습니다. 또한, 복잡한 장치가 없이도 프로펠러의 회전 속도를 조종해서 움직일 수 있어서 구조도 단순합니다.

 

따라서 드론의 프로펠러는 회전하면서 공기를 아래쪽으로 밀 수 있도록 연결해야 합니다. 그렇지 않으면 위쪽으로 공기를 밀어서 드론이 균형을 잡지 못해 날 수 없습니다.

 

드론에 작용하는 힘은 위로 뜨는 양력, 물체를 아래로 끌어당기는 중력, 드론이 기울면서 앞으로 가게 해주는 추력, 공기와 드론의 마찰로 추력을 방해하는 항력이 있습니다.

프로펠러 날개 모양 주의하기

 

드론에 작용하는 4가지 힘

 

프로펠러를 빠르게 회전시켜서 양력이 중력보다 크면 위로 뜨게 됩니다. 반대로 중력이 양력보다 더 강하면 드론은 아래로 내려갑니다. 드론이 이동하기 위해선 추력과 항력이 필요합니다. 추력이 항력보다 크면 추력이 향하는 방향으로 이동합니다.

 

4가지 힘의 크기가 같으면 제자리 비행을 할 수 있습니다. 이 상태를 호버링(Hovering)이라고 합니다. 이번 어린이드론 포스팅에서는 드론의 원리를 살펴보았습니다. 다음 포스팅에서는 드론의 구조와 다양한 센서를 자세하게 알아보겠습니다. 오늘 배웠던 내용을 영상으로도 자세하게 설명했습니다. 관심있는 분들은 유튜브 영상을 한 번 보면 좋을 것 같습니다.