[이연호의 과학라운지]①종이비행기 잘 날리려면?

'오래 나는' 종이비행기, 날개 크기가 좌우

날개 클수록 '떠오르는 힘'도 커져

윗방향으로 접어야 뒤집히지 않아

[편집자주]최근 서울대 공대가 내년부터 신입생 중 고등학교 때 물리Ⅱ를 배우지 않은 학생들은 ‘물리학 기본’ 수업을 의무적으로 이수하도록 규정을 개정했다. 물리학 등 기초과학에 대한 준비를 못 하고 대학에 들어온 신입생들이 물리학 강의를 따라가는 데 어려움을 겪으면서 대학 측이 물리학 기초 교육을 강화하기로 한 것이다. 수학, 화학, 물리학, 생물학 등 기초과학의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 특히 인공지능(AI), 사물 인터넷(IoT), 빅데이터 등 첨단 정보통신기술(ICT)이 이끄는 4차 산업혁명 시대를 맞아 그 중요성은 점차 더 커지고 있다. 하지만 대개의 경우 기초과학은 어렵고 낯설게만 느껴져 피하고 싶은 것도 사실이다. 기초과학의 세계에 쉽고 재미있게 발을 들여 보자는 취지로 매주 연재 기사를 게재한다. 과학기술정보통신부 산하 연구기관인 한국과학창의재단의 전국 초·중·고등학생 대상 과학 교육 프로그램인 ‘다들배움’에서 강사로 활동하는 과학커뮤니케이터들과 매주 인터뷰를 진행하고 그 중 재밌는 내용을 간추려 독자들에게 제공한다.

[이데일리 이연호 기자] 종이비행기. 어릴 때 별생각 없이 틀에 박힌 모양으로 단순하게 접어 날리던 종이비행기에 대해 얼마나 알고 있는가. 종이비행기도 실제 비행기와 같은 항공역학에 따라 날아간다. 즉 과학적 원리를 잘 이해하고 그 원리를 잘 적용하면 멀리 혹은 오래 날게 할 수도 있고 부메랑처럼 다시 내게 돌아오게도 할 수 있다. 우선 종이비행기의 원리를 이해하기 위해 간단히 종이비행기의 각 위치에 따른 명칭과 기능을 살펴볼 필요가 있다. 일반적으로 종이비행기는 우리가 여행 시 타고 다니는 여객기와 달리 몸통 전체가 날개로 이뤄져 있다. 비행기가 뒤집히지 않고 활공할 수 있게 하려면 날개를 Y자 모양의 상반각(③)으로 접어야 한다. 상반각이란 쉽게 말하면 날개를 윗방향으로 접어 생긴 각을 말한다. 이렇게 해야 종이비행기가 날 수 있을 만큼 바람이 닿을 수 있는 면적이 넓어지며 뒤집어지지 않게 균형을 잡을 수 있다. 반대로 날개를 아래로 꺾어 접는 하반각을 만들면 종이비행기에 바람이 닿는 면적이 좁아져 비행기가 빠르게 지면을 향해 회전하며 떨어진다.

종이비행기의 방향을 정해주는 부분은 뒤쪽에 있다. 항공 용어로 이를 엘리베이터(①)라고 부른다. 엘리베이터를 위로 많이 올리면 비행기가 위로 올라가다가 가속도가 줄어들면서 아래로 다시 떨어진다. 하지만 아래로 떨어지면서 다시 속도가 붙다 보면 엘리베이터 때문에 다시 위로 올라간다. 이를 피칭현상이라 부른다.

종이비행기는 날개면적에 따라서 얼마나 오래 날 수 있는지가 결정된다. 몸통 깊이(⑤)와 날개의 크기는 반비례한다. 즉 몸통 깊이가 깊으면 날개 면적은 좁고 몸통 깊이가 얕으면 날개의 면적은 넓다. 날개 면적이 좁으면 공기의 양력(揚力)과 저항력이 작고 넓으면 양력과 저항력이 크다.여기서 양력이란 떠오르는 힘을 말하고 양력과 저항력은 비례한다.

종이비행기는 날개가 크면 양력이 커지고 오래 날 수 있다. 반면에 날개가 작으면 양력도 작아져 활공은 힘들지만 저항력이 작아져 빠르게 날릴 수 있다.

작은 날개라는 뜻의 윙렛(winglet·☆표 부분)을 이용하면 부메랑 비행기를 만들 수도 있다. 날개 끝 부분을 위·아래로 접어 윙렛을 만들 경우 종이비행기를 팔을 비틀어 비스듬한 각도에서 날리면 다시 원래 자리로 돌아온다. 윙렛은 비행기가 뒤집어지지 않게 균형을 잡아주는 상반각의 역할을 하는 동시에 떠오르는 힘인 양력을 유지하는 기능도 한다. 반면 저항력은 줄여 주기 때문에 비행기는 부메랑이 돼 되돌아온다.

이번엔 사진 속 원통 모양의 링(Ring)비행기를 보자. 안쪽을 여러 번 접어 안쪽을 두껍게 함과 동시에 무게중심을 한쪽에 뒀다. 이렇게 하면 떠오르는 힘인 양력이 안으로 집중되고 공기를 빨아들이는 현상이 생긴다. 공기가 바깥보다 안쪽에서 좀 더 빠르게 흐르게 된다. 이 비행기를 날리면 마치 제트엔진처럼, 종이비행기치고는 굉장히 빠른 속도로 공중을 가로질러 지나간다. 도움말=이승훈 과학커뮤니케이터(위플레이 대표).