레오나르도 다빈치의 날틀은 왜 날지 못했을까?

레오나르도 다빈치 하면 떠오르는 것은 아마 예술가로써의 유명한 작품들이 대부분일 것입니다.

그러나 레오나르도 다빈치는 예술가이면서 또한 천재적인 과학 기술자이기도 했는데요, 항공분야에 대한 관심도 대단하여 그 시절에 벌써 획기적인 발상으로 날아다니는 배, 즉 날틀에 대한 구체적인 실험도 여러 가지 설계했던 기록이 남아 있습니다.

대표적인 작품 몇 가지를 살펴 보도록 하겠습니다.

먼저, 레오나르도 다빈치는 당시 물을 끌어 올리는 데 사용한 나사못의 원리를 그대로 응용한 헬리콥터형 날틀을 고안했습니다. 실험까지 해보았다고 하는데 날지는 못했다고 하네요. 하지만 수직으로 뜰 수 있는 현재 헬리콥터의 출발점이라는 데에 의미가 있겠지요.

 

 

다음은 글라이더 인데요, 그림을 보시면 알겠지만 날개를 움직이는 구조입니다. 사람이 타고 날개짓을 한다면 날 수 있을 것 같은데요, 아마 새를 많이 연구한 다빈치라서 그런지 날개의 뼈대가 새의 그것과 많이 닮아 있음을 볼 수 있습니다.

 

그런데, 위의 두 작품은 획기적인 고안이긴 하였으나 공통점이 있습니다.

비행을 실현하지는 못했다는 점이죠. ㅜㅜ

아쉬운 점이긴 한데요, 이유는 바로 그 당시에 공기에 대한 과학 지식이 부족했기 때문입니다.

 

어떤 점 때문에 실현 되지 못했는지 좀 더 자세히 알아보도록 하겠습니다.

천재 과학자였던 다빈치는 스크루를 돌리거나 날개를 퍼덕여서 공기를 밀어내는 힘으로 뜨는 원리를 적용했습니다.

그렇다면 아래로 밀어내는 공기에 의한 힘이 중력을 이길 수 있을 정도로 세어야 하는데요, 이렇게 어떤 물질을 밀어내는 힘에 대한 반작용에 관한 것이 바로 뉴턴의 운동 제3법칙인 '작용 반작용의 법칙'입니다.

실제 항공기에도 적용되는 제트엔진과 로켓엔진도 바로 이 법칙이 적용되었는데요, 그런데 왜 다빈치의 날틀은 날지를 못했을까요? 여기에 다빈치가 생각하지 못한 공기의 비밀이 있습니다.

 

수영장을 예로 들겠습니다. 수영장 물에 들어간 후 팔을 뒤로 휘저으면 팔에 힘이 많이 들어가는 대신 몸이 앞으로 밀려나갑니다. 작용 반작용의 법칙이 잘 적용되지요. 수영장 밖으로 나와서 똑같은 동작을 해보면 어떻게 될까요? 팔은 별 힘을 주지 않았는데도 뒤로 휙 돌아가지만 몸은 앞으로 나가는 힘이 조금도 느껴지지 않습니다.

여기에 물과 공기의 큰 차이점이 있는 걸 알 수 있습니다. 뒤로 밀쳐내는 물과 공기의 부피가 같을 경우 물이 공기보다 훨씬 무겁다는 것이죠. 다시 말해 공기를 밀어낼 때보다 물을 밀어낼 때 힘이 더 많이 드는 것이지요.

그러면 작용 반작용 법칙에서 무거운 것을 밀 때와 가벼운 것을 밀 때, 어떨 때 반대의 힘을 많이 받을까요? 당연히 무거운 것을 밀 때 내 몸이 반대의 힘을 많이 받습니다. 그래서 물을 밀어낼 때가 공기를 밀어낼 때보다 추진력이 더 커지는 것입니다.

그러고 보니 공기는 추진력을 내기가 어렵다는 것을 알 수 있습니다. 그러면 해결책은 무엇일까요?

부피에 비해 무게가 작은 공기! 어떻게 하면 물처럼 큰 반작용을 만들어 낼 수 있을까요?

답은 바로 많은 부피의 공기를 밀어내는 것입니다. 넓은 판을 달아서? 아닙니다. 다빈치는 바로 이 방법으로 실패했습니다.

그렇다면 성공하는 방법은 바로 공기를 빠른 속도로 밀어내는 것입니다. 그러면 짧은 시간에 많은 양의 공기를 밀어낼 수 있게 되겠지요. (여기에서 얘기하는 부피와 무게에 대한 관계를 우리는 물질마다 고유한 '밀도'라고 합니다!)

이런 차이점으로 물과 공기에서 추진력을 얻어내는 프로펠러의 모양은 차이를 갖게 되는 것입니다.

 

배의 프로펠러는 밀도가 큰 물을 밀어내기 때문에 프로펠러 날개에 힘이 많이 실립니다. 그래서 날개를 짧으면서도 두껍게 만듭니다. 프로펠러 날개가 짧아도 밀쳐내는 물의 양이 적지 않도록 폭이 넓고, 날개 수도 많은 편이지요. 따라서 좀 천천히 돌지만 밀도가 큰 물을 많이 밀어내기 때문에 저속이면서 힘이 셉니다.

 

 

이미지 출처 : http://www.123rere.com/yulrinmadang/main5_read.asp?idx=562&page=14&group=&field=&words=

 

반면에 비행기용 프로펠러는 물에 비해 엄청나게 작은 밀도의 공기를 다루기 때문에 힘을 얻기 위해 빠른 속도로 공기를 밀쳐내는 구조로 되어 있습니다. 그래서 날개 수도 적고, 날렵하게 생겼습니다. 한 번 회전해서 밀쳐내는 공기의 양은 적지만 대신에 굉장히 빠른 속도로 돌기 때문에 짧은 시간 동안 많은 양의 공기를 빠르게 밀쳐냅니다. 따라서 비행기는 배에 비해 힘은 적은 편이지만 속도가 빠른 것이지요.

 

이미지 출처 : http://www.centennialofflight.gov/essay/Theories_of_Flight/props/TH18G1.htm

 

이런 이유로 레오나르도 다빈치의 날틀은 공기중을 비행하기보다는 물에서나 적합한 프로펠러의 모양임을 알 수가 있습니다. 또한 날개를 퍼덕이는 날틀 또한 벌과 같이 빠른 속도로 움직이지 않는 한 날 수가 없음을 알 수 있습니다.