1. 양력과 항력
양력이나 항력으로 표현되는 공력은 베르누이 방정식에서 보여주는 바와 같이 공기 흐름의 운동에너지로부터 얻는 동압뿐 아니라 날개의 형태와 크기, 공기 흐름의 특성 등에 의해서도 결정됩니다. 그런데 에어포일에 있어 공력이란 3차원 날개와는 달리 날개 끝단이 없기 때문에 양력은 날개의 단위길이당 크기를 의미하며, 양력을 나타내는 기호는 소문자로 표시하고 날개 면적 대신에 에어포일의 시위 길이를 사용합니다.
날개 단면인 에어포일에 작용하는 양력과 항력을 무차원 계수화한 2차원 양력계수와 항력 계수 식은 다음과 같습니다.
여기서 양력 및 항력은 공기의 밀도, 흐름의 속력, 시위선의 길이, 양력계수 및 항력 계수로 나타냅니다. 저속 에어포일은 받음각과 형상이 같으면 크기나 동압이 다르더라도 동일한 양력 계수를 가집니다. 이와 같은 이유로 공기역학에서는 여러 가지 편리함이 있는 무차원 계수를 많이 사용합니다.
받음각에 따라서도 양력계수와 항력 계수는 달라지게 되는데, 받음각이 낮은 범위에서는 받음각이 증가하면 양력 계수도 정비레하여 증가합니다. 하지만, 받음각이 커질수록 양력 계수가 증가하는 비율이 둔해지다가 특정 받음각에서 양력 계수가 최대가 된 뒤에 감소하게 됩니다. 이와 같이 양력 계수가 감소하는 것을 에어포일의 실속이라고 하며 실속이 일어나는 각을 실속 받음각, 이때의 양력 계수를 최대 양력 계수라고 합니다. 실속은 경계층의 분리와 관련되어 있기 때문에 레이놀즈 수에 큰 영향을 받습니다. 실속 받음각은 대개 10 º ~ 20 º이며 에어포일과 레이놀즈 수에 따라 실속의 형태와 양상이 다양해집니다. 에어포일에 캠버가 있을 경우 받음각이 0이어도 양력 계수는 양의 값을 가지며, 이러한 에어포일은 받음각을 0보다 더 작게 해야 양력 계수가 0이 되는데 이 받음각을 영양력 받음각이라고 합니다.
에어포일에서 측정되는 항력은 두 가지로 나누어서 생각해볼 수 있습니다. 에어포일 표면에 수직으로 작용하는 압력분포에 의한 힘 중, 공기흐름 방향 성분의 힘은 뒤로 향하는 힘이 되며, 이러한 항력을 압력 항력이라고 합니다. 다른 하나의 항력은 공기의 점성에 의한 마찰력으로 인한 항력이 발생하게 되는데 이를 표면 마찰 항력이라고 합니다. 이 두 가지 항력은 서로 구분하여 측정하기가 어렵기 때문에 두 가지를 합한 것을 측정하게 되며 이를 에어포일의 유해 항력이라고 합니다. 에어포일의 항력 계수는 대체로 받음각이 0이 되는 부분에서 최소가 되면 받음각이 증가하면 급격히 증가합니다. 양력과 항력의 관계를 나타낸 양향 곡선에서 볼 수 있듯이 실속이 일어나면 항력 계수는 급격하게 증가합니다.
2. 유동의 박리와 실속
날개의 받음각이 증가함에 따라 양력게수가 점차 증가하다가 특정 받음각 이상이 되면 실속이 일어난다는 것을 앞에서 알게 되었습니다. 이 현상은 점성에 의해 형성된 경계층이 날개 표면으로부터 분리되는 흐름의 박리 또는 분리에 의해 발생합니다. 날개 윗면의 표면을 따라 흐르는 공기층은 점성 마찰력에 의해 속력이 느리기 때문에 관성력이 작습니다. 이로 인해 뒷전 부분의 높은 압력에 의해 압력이 낮은 압전 부분으로 작용하는 압력을 이기지 못해 뒷전에서 앞전으로 흐름의 역류가 발생하게 됩니다. 분리가 일어나면 날개 윗면 앞전에서는 압력이 상대적으로 높아져서 양력이 감소하고 뒷전에서는 압력이 낮아지기 때문에 압력 항력이 크게 증가합니다.
받음각이 작으면 분리가 일어나지 않다가 받음각이 커지면서 뒷전에서부터 분리가 일어나기 시작하고, 받음각이 더욱 커지게 되면 분리점이 뒷전에서 앞전으로 점점 이동하여 날개 표면이 후류의 영역에 들어가는 범위가 점점 커집니다. 반면에 후류에 들어가지 않는 날개 앞부분은 받음각이 커짐에 따라 압력 차이를 더 많이 만들어 양력계수의 증가에 기여하지만 뒤어서 이동하는 분리점 때문에 증가율이 둔해집니다. 결국 후류에 들어간 면적이 더욱 넓어지면 더 이상 양력 계수가 증가하지 못하고 항력 계수가 급격히 증가하여 실속이 발생하게 됩니다. 비행기가 실속에 들어가면 심각한 조종 불능 상황에 처해질 수 있기 때문에 대부분의 비행기에는 실속 경보 장치를 설치하여 조종사에게 비행 중 실속에 들어가기 전 경보음을 주어 실속을 예방할 수 있게 해 줍니다.