드론의 날개, 회전 방향에도 과학이 있다!
안녕하세요:)
요즘 드론이라는 로봇이 너무나 대중화되고 있죠?
드론을 자세히보면 4개의 팬(날개)이 회전을 하면서 하늘을 누비고 다니는데요.
각 날개는 어떻게 회전을 하는지 알고계신가요? 오늘은 드론의 날개에 대해 과학적인 이야기를 해보려고 합니다.
드론이란?
드론(Drone)은 조종사 없이 무선 전파 또는 사전 프로그래밍에 의해 자율 비행할 수 있는 무인 항공기를 말합니다. 군사, 촬영, 배송, 측량, 구조 활동 등 다양한 분야에서 활용되며, 일반적으로는 쿼드콥터(날개 4개) 형식이 가장 널리 쓰입니다.
드론의 날개 회전 방향은 어떻게 되어 있을까?
드론의 날개는 보통 4개이며, 서로 대각선 방향의 2개 날개가 같은 방향으로 회전합니다.
- 1번, 4번 날개 → 시계방향(CW) 회전
- 2번, 3번 날개 → 반시계방향(CCW) 회전
이렇게 두 쌍의 날개가 서로 반대 방향으로 회전하도록 설계된 이유는 단 하나, 바로 드론이 제자리에서 균형을 잡고 안정적으로 떠 있기 위해서입니다.
왜 이런 방향으로 회전할까?
1) 각운동량 보존의 원리
이해를 위해선 각운동량 보존법칙을 알아야 합니다.
2) 각운동량이란?
- 물체가 회전할 때 가지는 운동량의 일종
- 물체가 회전 중이라면, 외부에서 힘을 가하지 않는 한 그 회전 상태(속도와 방향)는 유지됩니다.
3) 각운동량 보존의 예시
- 피겨스케이팅 선수가 점프 후 팔을 안으로 모으면 더 빠르게 회전하는 동작
- 팽이가 넘어지지 않고 도는 것
4) 드론에 어떻게 적용될까?
드론의 4개 날개가 모두 같은 방향으로 회전한다면, 날개가 만들어낸 회전력(토크) 때문에 기체 전체가 반대 방향으로 돌아가려는 힘이 생깁니다.
이를 방지하려면 날개 두 개씩 서로 반대 방향으로 회전하게 만들어서 회전력의 총합이 0이 되도록 설계해야 합니다.
즉, 돌림힘(토크)을 서로 상쇄시켜 기체가 제자리에서 회전하지 않게 만드는 것이죠.
날개 방향이 대각선이 아니라면 어떻게 될까?
만약 같은 방향으로 회전하는 날개가 대각선이 아니라 옆에 나란히 있다면 아래와 같은 문제가 생깁니다.
- 좌우 비대칭 발생 → 드론이 한쪽으로 회전하거나 쏠림
- 전체적인 토크 불균형 → 드론이 공중에서 비틀리며 안정적인 비행 불가
- 제자리 호버링(떠 있기) 불가능
즉, 대각선 방향으로 회전 방향을 배치한 것은 물리적으로 균형을 잡기 위한 최적의 설계입니다.
더 깊이 들어가면…
- 자이로스코프 센서: 드론 내부에는 회전 방향과 속도를 실시간으로 감지하는 센서가 있어 각운동량 변화에 따른 기체 움직임을 제어합니다.
- PID 제어 알고리즘: 프로펠러의 미세한 속도 차이도 제어하여 기체의 균형을 잡는 핵심 알고리즘이 작동합니다.
- 드론의 회전(요잉, 피칭, 롤링): 네 개의 날개 속도를 다르게 조절함으로써 상하좌우 이동과 회전이 가능합니다. 이 역시 각운동량의 원리를 적극 활용한 제어 방식입니다.
드론이 하늘에 안정적으로 떠 있는 데도 이렇게 많은 물리학 원리가 들어간다니 놀랍지 않으신가요?
각운동량의 개념에 대해 공부하고 그림을 그려서 이해하면 더욱더 쉽게 이해할 수 있을거에요!
다음에 드론을 볼 때는 날개 회전 방향을 한번 유심히 살펴보세요. 그 속에 숨어 있는 과학의 균형 감각을 발견할 수 있을 것입니다.
(물론, 날개의 회전하는 방향을 볼 수 있다면 말이죠.)