물살을 가르는 돌고래를 보면 신기한 생각이 든다. 어떻게 뚫기 어려운 물이라는 장벽을 극복해 그렇게 빠른 속도를 낼 수 있을까. 돌고래보다 덩치가 더 크면서도 더 빠르게 헤엄치는 물짐승은 찾아보기 힘들다.
추진력, 지느러미가 아니라 주위 소용돌이가 핵심
물고기는 어떻게 헤엄을 칠까? 사람이 수영을 할 때 손과 발을 움직이는 것처럼 물고기는 지느러미를 이용해 헤엄을 친다. 가슴지느러미로 몸의 균형을 잡고 꼬리지느러미로 추진하며 속도를 조절한다. 그러면 물고기의 엄청나게 빠른 속도가 단지 지느러미에 대한 설명만으로 끝나는 것일까?
최근 과학자들은 물고기의 추진력은 단순한 지느러미에만 있는 것이 아니라 헤엄을 칠 때 그 주위에 생기는 물방울들, 즉 일종의 ‘소용돌이’가 커다란 역할을 하며, 그 속에는 유체 역학이라는 물리학의 원리가 담겨 있다고 주장했다. 물고기의 몸체와 물의 균형 잡힌 조화가 추진력의 비밀이라는 것이다.
미국 과학논문 소개사이트인 ‘유레칼러트’(EurekAlert)에 따르면 스위스 과학자들이 헤엄치는 물고기 주위에 이는 물에 대한 응집구조(coherent structures)를 해석하였고, 이를 통해 물고기가 어떻게 움직이는가에 대한 원리를 파악했다.
이 사이트는 ‘The physics of swimming fish(헤엄치는 물고기의 물리학)’이라는 제목의 기사를 통해 이같이 밝히면서 “이 연구결과는 항공기 비행 동역학과 다른 복잡한 유체 유동에 대한 연구에 도움이 될 가능성이 있다”고 보도했다.
겉으로 볼 때 물고기는 물속을 쉽게 미끄러지는 듯이 헤엄치는 것처럼 보인다. 그러나 물고기가 헤엄치며 나아갈 때 뒤에 남겨지는 작은 물결들은 물고기와 수중 환경 사이에 지속적인 에너지 상호 교환이 있어나고 있다는 증거다.
그러나 과학자들은 물고기를 앞으로 나아가게 만드는 운동량 교환(momentum exchange)을 정량화하는 것은 끊임없이 흐르는 많은 양의 물이 갖는 연속적인 특성 때문에 지극히 까다롭다고 설명했다. 셀 수 있는 연속적이지 않은 이산형 물체(discrete object)를 다루는 경우에는 상호 간에 발휘되는 힘을 계산하는 것은 상대적으로 쉽다.
이번 연구를 이끈 기계시스템 연구소(Institute of Mechanical Systems)의 플로리언 훈(Florian Huhn) 박사는 이에 대해 쉽게 설명하기 위해 스키용 폴을 사용하여 들판을 가로지르는 크로스컨트리 스키어를 예로 들었다.
그는 “사람과 스키용 폴은 개별적인 물체다. 그래서 이들 상호 간에 발휘되는 힘은 상대적으로 쉽게 계산될 수 있다. 그러나 헤엄치는 물고기 주변의 물은 연속적이기 때문에 어느 곳의 유체가 추진력 발휘에 가장 관련되는지를 찾아내는 것은 어렵다”고 설명했다.
소용돌이와 물고기 추진력 사이의 관계 파악
스위스 과학자들은 유동 전체를 검사하는 대신, 개별 단위로 주변의 물 속에서 일어나는 소용돌이를 연구하여 물속에서 물고기의 추진을 이해할 수 있다는 것을 발견하였다. 이 연구결과는 지난달 23일 학술지 ‘카오스(Chaos)’에 실렸다.
연구자들은 모델링 실험에서 물고기와 가장 가까이 있는 물에서 발생하는 소용돌이에 집중하였다. “이러한 소용돌이는 물고기의 추진 메커니즘에서 결정적인 역할을 하는 것으로 보인다. 물고기가 헤엄칠 때 소용돌이가 회전하고 있다는 사실 그 자체는 이 유체가 이미 물고기와 강력하게 상호작용하고 있다는 명확한 조짐”이라고 훈 박사는 말했다.
연구자들은 물고기가 꾸준히 움직이는 정속운동(steady movement)의 경우, 물고기의 움직임이 물고기와 개별적인 소용돌이 사이에 일어나는 운동량 교환에 크게 기여할 수 있다는 것을 발견하였다. 소용돌이 영역에 의하여 둘러싸인 추가적인 비회전 분사 유체 영역(non-rotating jet fluid region)이 물고기의 추진력을 만들어내는 결정적 요인이라는 것이다.
요약하자면 물고기가 헤엄을 치는 데는 일정한 유체물리학이라는 과학이론이 적용된다는 것. 그리고 물고기가 물 속에서 아주 빠르게 움직일 수 있는 추진력은 지느러미의 단순한 작용이 아니라 물고기가 헤엄칠 때 이는 물방울과 소용돌이가 결정적 역할을 한다는 내용이다.
한편 훈 박사는 이러한 연구방법이 미래의 유체 분석에 유용할 것이라고 믿고 있다. 그는 “자연에 존재하는 새나 물고기, 공학 분야의 비행기와 선박 등과 같은 물체가 특정한 속도로 유체 속을 통과할 때, 소용돌이가 만들어진다. 그리고 우리가 제시한 이 방법은 이러한 소용돌이가 어떻게 형성되고 전개되는지를 추적하고 이해하는 데에 유용할 수 있다”고 말했다.
추진력, 지느러미가 아니라 주위 소용돌이가 핵심
물고기는 어떻게 헤엄을 칠까? 사람이 수영을 할 때 손과 발을 움직이는 것처럼 물고기는 지느러미를 이용해 헤엄을 친다. 가슴지느러미로 몸의 균형을 잡고 꼬리지느러미로 추진하며 속도를 조절한다. 그러면 물고기의 엄청나게 빠른 속도가 단지 지느러미에 대한 설명만으로 끝나는 것일까?
물고기의 추진력은 지느러미의 작용이라는 것이 일반적인 상식이다. 그러나 최근 과학자들은 지느러미보다 물고기 주위에 생기는 소용돌이가 중요한 역할을 한다고 주장했다. ⓒ wisegeek.org
미국 과학논문 소개사이트인 ‘유레칼러트’(EurekAlert)에 따르면 스위스 과학자들이 헤엄치는 물고기 주위에 이는 물에 대한 응집구조(coherent structures)를 해석하였고, 이를 통해 물고기가 어떻게 움직이는가에 대한 원리를 파악했다.
이 사이트는 ‘The physics of swimming fish(헤엄치는 물고기의 물리학)’이라는 제목의 기사를 통해 이같이 밝히면서 “이 연구결과는 항공기 비행 동역학과 다른 복잡한 유체 유동에 대한 연구에 도움이 될 가능성이 있다”고 보도했다.
겉으로 볼 때 물고기는 물속을 쉽게 미끄러지는 듯이 헤엄치는 것처럼 보인다. 그러나 물고기가 헤엄치며 나아갈 때 뒤에 남겨지는 작은 물결들은 물고기와 수중 환경 사이에 지속적인 에너지 상호 교환이 있어나고 있다는 증거다.
그러나 과학자들은 물고기를 앞으로 나아가게 만드는 운동량 교환(momentum exchange)을 정량화하는 것은 끊임없이 흐르는 많은 양의 물이 갖는 연속적인 특성 때문에 지극히 까다롭다고 설명했다. 셀 수 있는 연속적이지 않은 이산형 물체(discrete object)를 다루는 경우에는 상호 간에 발휘되는 힘을 계산하는 것은 상대적으로 쉽다.
이번 연구를 이끈 기계시스템 연구소(Institute of Mechanical Systems)의 플로리언 훈(Florian Huhn) 박사는 이에 대해 쉽게 설명하기 위해 스키용 폴을 사용하여 들판을 가로지르는 크로스컨트리 스키어를 예로 들었다.
그는 “사람과 스키용 폴은 개별적인 물체다. 그래서 이들 상호 간에 발휘되는 힘은 상대적으로 쉽게 계산될 수 있다. 그러나 헤엄치는 물고기 주변의 물은 연속적이기 때문에 어느 곳의 유체가 추진력 발휘에 가장 관련되는지를 찾아내는 것은 어렵다”고 설명했다.
소용돌이와 물고기 추진력 사이의 관계 파악
스위스 과학자들은 유동 전체를 검사하는 대신, 개별 단위로 주변의 물 속에서 일어나는 소용돌이를 연구하여 물속에서 물고기의 추진을 이해할 수 있다는 것을 발견하였다. 이 연구결과는 지난달 23일 학술지 ‘카오스(Chaos)’에 실렸다.
연구자들은 모델링 실험에서 물고기와 가장 가까이 있는 물에서 발생하는 소용돌이에 집중하였다. “이러한 소용돌이는 물고기의 추진 메커니즘에서 결정적인 역할을 하는 것으로 보인다. 물고기가 헤엄칠 때 소용돌이가 회전하고 있다는 사실 그 자체는 이 유체가 이미 물고기와 강력하게 상호작용하고 있다는 명확한 조짐”이라고 훈 박사는 말했다.
연구자들은 물고기가 꾸준히 움직이는 정속운동(steady movement)의 경우, 물고기의 움직임이 물고기와 개별적인 소용돌이 사이에 일어나는 운동량 교환에 크게 기여할 수 있다는 것을 발견하였다. 소용돌이 영역에 의하여 둘러싸인 추가적인 비회전 분사 유체 영역(non-rotating jet fluid region)이 물고기의 추진력을 만들어내는 결정적 요인이라는 것이다.
요약하자면 물고기가 헤엄을 치는 데는 일정한 유체물리학이라는 과학이론이 적용된다는 것. 그리고 물고기가 물 속에서 아주 빠르게 움직일 수 있는 추진력은 지느러미의 단순한 작용이 아니라 물고기가 헤엄칠 때 이는 물방울과 소용돌이가 결정적 역할을 한다는 내용이다.
한편 훈 박사는 이러한 연구방법이 미래의 유체 분석에 유용할 것이라고 믿고 있다. 그는 “자연에 존재하는 새나 물고기, 공학 분야의 비행기와 선박 등과 같은 물체가 특정한 속도로 유체 속을 통과할 때, 소용돌이가 만들어진다. 그리고 우리가 제시한 이 방법은 이러한 소용돌이가 어떻게 형성되고 전개되는지를 추적하고 이해하는 데에 유용할 수 있다”고 말했다.
- ScienceTimes
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