헬리콥터 꼬리날개의 역할 - 각운동량 보존 법칙

헬리콥터의 날개가 돌아가면서 떠오르는 것은 비행기의 이륙과 기본적인 원리는 같습니다. 비행기는 추진력으로 앞으로 나아가면서 날개 주변의 공기 흐름의 도움으로 떠 오릅니다.

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헬리콥터는 보통 비행기의 날개와 모양이 비슷한 날개를 돌리면서 공기의 도움을 받아 이륙합니다.

정지하고 있던 헬리콥터가 떠오르기 위해서는 중앙 회전 날개를 돌려야 합니다.

각운동량 보존법칙

회전하는 물체는 각운동량이 있습니다. 이 물체에 돌림힘을 주지 않으면 각운동량은 변하지 않습니다.

              각운동량=(회전 관성)*(회전속도)

가장 유명한 예로 김연아 선수의 트리플 악셀 사진에서 처음에는 팔을 벌리고 돌기 시작해서 팔을 오므리면 더 빨리 도는 모습을 볼 수 있습니다.

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이전 글에서 살펴본 것처럼 같은 질량이라도 회전 축에 가까이 질량이 모여 있으면 회전 관성이 작아집니다.

김연아 선수가 돌기 시작할 때 팔을 벌리고 있다가 오므리면 회전관성이 작아집니다. 각운동량이 일정해야 하기 때문에 회전 속도가 빨라지게 됩니다.

 

헬리콥터의 각운동량

이륙하는 헬리콥터는 외부의 돌림힘이 없다고 볼 수 있습니다. 헬리콥터가 출발하기 전에는 돌고 있는 회전 속도가 영이기 때문에 각운동량은 처음에는 영입니다.

떠 오르기 위해 중앙 회전 날개를 반시계방향으로 돌린다고 해 봅니다. 헬리콥터는 떠오를 겁니다. 동시에 꼬리 날개를 돌려서 비행기가 떠 오를 때와 같은 원리로 그림의 화살표처럼 힘을 줍니다.

이 힘은 헬리콥터 전체를 시계방향의 각운동량을 만들어 줍니다. 중앙 회전 날개가 반시계방향으로 도는 각운동량과 꼬리날개의 힘이 만드는 시계방향의 각운동량이 합쳐져서 총 각운동량이 영을 유지할 수 있습니다.

만약 꼬리 날개가 없다면 반시계방향의 회전속도를 가지는 각운동량이 생기면 처음의 각운동량이 영이었기 때문에 헬리콥터 동체가 시계방향으로 돌게 됩니다.

영화에서 꼬리날개가 파손되면 헬리콥터가 빙글빙글 도는 모습을 본 적이 있을 겁니다.

 

헬리콥터의 진행 방향

이 각운동량이 바뀌지 않는 성질을 이용해서 헬리콥터의 진행 방향을 조정하기도 합니다.

꼬리 날개를 좀 천천히 돌리면 꼬리 날개에 작용하는 힘이 작아지고 시계방향의 각운동량이 작기 때문에 헬리콥터 동체가 시계방향으로 조금 돌게 됩니다. 오른쪽으로 방향을 바꿀 수 있습니다.

영화에서 보면 군인들이 타고 다니는 날개가 두개인 헬리콥터는 두 날개가 반대 방향으로 돌면서 떠 오릅니다.

하나는 시계방향으로 회전하고 다른 하나는 반시계 방향으로 회전하면 각운동량이 영인 상태가 유지되어 꼬리 날개가 없어도 똑바로 앞으로 진행할 수 있습니다.

시계방향으로 도는 날개의 회전 속도를 줄이면 헬리콥터를 시계방향으로 방향을 바꿀 수 있습니다.