항공기가 비행 중에 항공기에 작용하는 기본적인 4가지 힘이다.
항공기에 작용하는 힘은 여러 가지가 있지만 가장 기본적으로 비행하는 데에 있어 이해해야할 힘은 4가지로 추력(Thrust), 항력(Drag), 양력(Lift), 중력(Gravity) 혹은 무게(Weight)가 있다.
추력(Thrust)은 프로펠러, 제트 엔진 등이 항공기의 뒤쪽(꼬리쪽)으로 공기를 밀어내어 작용-반작용을 통해 항공기가 앞으로 나아가도록 하는 힘이다.
양력(Lift)은 항공기가 공기를 가르며 나아갈 때 날개 윗면과 아랫면의 압력 차이가 생겨 발생하는 비행기가 뜨게 하는 주된 힘이다. 엄밀하게는 비행기와 공기의 상대속도에 수직한 힘이다. 자세한 내용은 양력을 참조.
항력(Drag)은 항공기가 공기를 가르며 나아갈 때 공기와의 마찰, 압력의 변화 등으로 발생하는 힘으로 비행기가 앞으로 나아가는 것을 방해하게 된다. 엄밀하게는 비행기와 공기의 상대속도에 수평한 힘이다. 비행기 엔진의 추력은 주로 이 항력을 상쇄하기 위해 존재하는 것이다. 마찰항력[1], 압력항력[2], 조파항력[3]과 같은 유해항력[4]과 양력이 존재한다면 이예 비례하여 커지는 (즉 양력에 의해 유도되는) 유도항력[5]으로 나뉜다.
중력(Gravity) 혹은 무게(Weight)는 항공기와 지구가 서로 당기는 힘으로 양력보다 중력이 크다면 비행기는 뜨지 못할 것이다.
이 네가지 힘의 적절한 균형으로 비행기는 비행하게 된다. 추력에 의해 항공기는 앞으로 전진하게 되며, 이는 정지해 있는 공기에 대해 항공기가 상대속도를 가지게 만든다. 달리 생각해 보면 항공기 입장에서는 바람이 앞에서 불어오는 것 처럼 느껴진다. 이 "바람"은 날개 주변에 공기의 흐름을 만들고 윗면과 아랫면을 각각 타고 흐르는 공기 흐름의 속도가 달라지게 되며, 윗면의 더 빠른 공기가 더 낮은 압력을 가지게 하여 결과적으로 날개의 아래에서 위로 밀어내는 양력을 만든다. 이렇게 속도가 충분히 빨라져 양력이 중력보다 커지면 비행기는 떠오르게 된다. 이때 속도가 빨라질수록 항력 역시 커지기 때문에 더 빠른 비행을 위해서는 비행기의 형상을 적절히 설계하여 항력을 줄이는 것도 필요하지만 강력한 엔진도 필요하게 된다. 비행기는 꼬리날개(승강타, 러더)나 에일러론 등의 조종면을 사용하여 자신이 바라보는 방향을 제어할 수 있다. 조종면의 각도를 바꾸어 양력의 크기를 변하게 하여 비행기가 향하는 방향을 바꾸는 것이다. 항공기의 기본 3축 참조.
참고) 비행기가 하늘을 나는 원리 (동영상)
[1] 공기와의 마찰에 의해 발생하는 항력[2] 날개 위 아래 압력의 차이로 양력이 발생하듯, 앞 뒤의 앞력 차이로 항력이 발생할 수 있다. 유동 박리 등 와류가 형성되는 상황에서 커진다.[3] 충격파에 의한 극적인 압력변화로 인해 발생하는 것으로 압력에 의해 발생하는 항력이지만 충격파라는 현상이 발생할 경우 조파항력이 전체 항력에 아주 큰 비율을 차지하게 되어 별도로 용어가 존재한다.[4] 작으면 작을수록 좋다[5] 양 끝 길이가 유한한 길이의 날개에서는 양력이 발생하면 반드시 어느정도 발생하며 그 크기가 양력의 제곱에 비례한다.