인간은 새와 곤충의 비행을 토대로 비행 장치들을 발명하게 됐지만 스스로의 힘이 아닌 장치의 힘을 빌려야 한다는 점에서 새와 곤충처럼 날고자 한 인간의 욕구는 아직 충족 되지 않았다고 볼 수 있다.
자료제공 : 한국항공우주연구원 카리스쿨
새의 나는 원리
새의 날개는 비행기의 날개와 같이 단면이 유선형으로 돼있다. 이 같은 날개 모양 때문에 날개의 위쪽으로 지나는 공기는 아래쪽으로 지나는 공기보다 흐름이 빠르게 된다.
이러한 공기 흐름의 속도 차이는 날개의 위쪽과 아래쪽의 압력 차이를 가져오게 된다.
공기의 속도가 빨라지면 압력이 낮아지고 속도가 느려지면 압력이 높아진다는 ‘베르누이의 정리’에 의해 날개 위쪽의 압력이 낮아지고, 아래쪽의 압력은 높아지게 된다.
압력차로 인해 압력이 높은 아래쪽에서 압력이 낮은 위쪽으로 밀어내는 힘이 작용하게 되는데, 그 힘이 날개에 작용하게 되면 바로 양력이 만들어지게 되는 것이다.
이 양력이 새에 작용하는 중력(새의 무게)보다 커지면 새는 떠오르게 된다. 또한 새의 깃털 역시 양력 발생에 도움을 주는 요소다. 깃털이 위쪽에 더 무성히 있음으로써 날개 위쪽의 곡률을 더욱 크게 해 양력을 증가 시키는 것이다.
곤충은 단순히 날개를 펄럭거려서 비행을 하지 않는다.
그 움직임은 새와는 비교할수 없을 만큼 화려하다.
날개 이외에도 새가 비행을 하기에 유리하도록 만들어 주는 요소들이 있다. 새의 뼈는 속이 비어서 가볍다. 또한 방광이 작아서 배설물을 오래 저장하지 않고 비행을 하면서 배설해 버린다.
즉 새의 이러한 구조는 양력을 보다 크게 한 반면 중력의 영향은 덜 받도록 하기 때문에 날아오르는 것이 가능해지는 것이다.
인간은 예로부터 하늘을 날기 위해 새의 비행 모습을 관찰해 왔다. 여기서 새의 비행 모습을 비행기의 비행 모습과 비교해 보면 새의 비행은 이륙·비행·착륙이라는 세 과정으로 구분 할 수 있다.
먼저 이륙을 위해 새는 도움닫기를 한다. 날개에 양력을 발생시키기 위해서다. 또한 비행기와 같이 날개를 고정시키고 있는 것이 아니라 날개를 퍼덕이게 되는데, 이는 날개 아래의 공기를 아래쪽으로 밀어줌으로써 더 큰 양력을 얻을 수 있게 해준다.
여기에는 베르누이 정리뿐만이 아닌 ‘뉴턴의 3법칙(작용-반작용의 법칙)’이 적용된다.
이렇게 날아오른 새가 활강을 할 때는 비행기의 모습과 흡사하다. 날개를 펴서 양력을 최대한 받아 서서히 내려온다.
먹이를 발견했을 때 급강하해야 하는 경우가 있는데, 이때는 날개를 접어서 날개의 양력을 줄이고 새의 몸에 받는 항력을 줄이게 된다. 또한 상승을 해야 하는 경우에는 이륙할 때와 마찬가지로 날개 짓을 해서 양력을 얻어야 한다.
착륙을 할 때는 속도를 줄여야 한다. 하강을 한 후에 속도를 줄이기 위해 이륙할 때와는 조금 다른 방향으로 날개 짓을 하게 된다.
속도를 줄이기 위해서 비행기의 역(逆) 추진 장치의 역할과 같이 날개로 공기를 머금어 앞쪽으로 밀어주게 된다. 이는 뉴턴의 3법칙에 의해 새의 속도가 현저히 줄어들게 되고 안전하게 착륙하게 한다.
곤충의 비행 원리는 새와 다르다
곤충은 종류가 다양하며 최초로 날기 시작한 생물이다. 단순히 날개를 파닥거림으로써 비행을 하는 것 같아 보이지만 그 구조와 움직임은 새의 날개 짓과는 비교도 할 수 없을 만큼 화려하다.
날아다니는 곤충은 날개의 모양과 개수, 크기 등이 달라도 날기 위해서는 날개가 필요하다. 곤충의 날개는 대체로 두 쌍이고, 깃털이 없으며, 종이와 같이 얇은 것이 특징이다.
곤충의 날개를 자세히 살펴보면 얇은 판위에 나뭇잎에서 보이는 잎맥과 같은 맥상이 분포하고 있다. 이 맥상은 곤충의 정맥(핏줄)이며, 비행을 할 때 날개에 작용하는 힘을 버틸 수 있는 구조로 돼있다.
새와는 달리 곤충의 날개는 단면이 유선형으로 되어있지 않아서 새의 날개에서 발생하는 것과 같은 양력을 기대할 수 없다.
새가 양력을 이용해서 비행을 한다면 곤충은 새와는 다른 플래핑 플라이트(Flapping Fligh, 날개를 파닥거리며 나는 비행)라는 방법을 이용해 비행을 한다.
곤충의 날개를 자세히 관찰해보면 아주 빠른 속도로 움직이며, 위·아래·앞·뒤의 모든 방향으로 자유롭게 움직인다는 것을 알 수 있다. 곤충이 비행을 할 때는 두 쌍의 날개가 서로 엇갈리기도 하고 꼬이기도 한다.
또한 두 장의 날개가 붙어서 조화롭게, 또 어떤 곤충은 조화롭지 않게 날개 짓을 한다. 그러한 날개의 파닥거림은 날개 주위에 소용돌이를 만들게 되는데, 그 소용돌이가 곤충을 띄우는 역할을 하게 되는 것이다.
곤충마다 차이가 있지만 비행 원리가 가장 잘 알려진 벌의 비행은 클랩(clap) 과정, 플링(fling) 과정, 다운스트로크(downstroke) 과정 등 세 단계로 나눌 수 있다.
먼저 클랩 과정은 양 날개를 붙여 놓은 모양이다. 날개 사이의 공간을 없애주는 것이다.
다음이 플링 과정이다. 붙어 있던 날개의 앞쪽이 서서히 벌어지면서 그 사이로 공기가 들어가게 되고, 날개가 거의 떨어지면 그 주변에 공기의 흐름이 생기게 된다.
마지막으로 다운스트로크 과정인데, 날개가 완전히 떨어져서 아래쪽으로 힘을 가하게 되면 날개 주변의 공기흐름이 곤충의 비행을 가능하게 해주는 소용돌이로 바뀌게 된다.
대부분의 곤충들은 약간의 차이는 있겠지만 대체로 이런 공기 소용돌이 원리로 비행을 한다.
이러한 공기 소용돌이를 만들기 위해 각 곤충들은 대부분 앞날개와 뒷날개가 함께 움직이는 조화로운 날개 짓을 하게 된다. 나비가 그 좋은 예다. 하지만 잠자리의 경우는 다르다.
잠자리는 전진 후퇴가 자유로운 것은 물론 공중에 정지한 상태에서 갑자기 시속 50km 가까운 속도를 낼 수도 있다. 그러한 비행 능력은 글라이더와 같은 가느다란 몸체에 긴 날개를 갖추고 있기 때문에 가능한 것이다.
잠자리의 날개는 한 쌍으로 이루어져 있다. 이 한 쌍의 날개를 한꺼번에 파닥거리는 것이 아니고, 앞과 뒤의 날개를 교대로 연속해서 움직이게 된다. 이 때문에 한 쌍의 날개를 효율적으로 움직여 정지비행, 재빠른 회전, 순간적인 고속 비행 등이 가능한 것이다.
곤충의 비행원리 이용한 MAV
인간은 지금까지 새의 유선형 날개의 모양을 본 따서 다양한 비행기를 만들어 왔다. 하지만 용도가 다양하고 작은 비행체를 만들고자 하는 데에는 무리가 따랐다.
이에 따라 다른 대안을 찾기 시작했는데, 그것이 바로 곤충의 비행원리를 이용한 초소형 비행체(MAV)다.
곤충의 비행원리를 이용한다면 더욱 작고 동력이 적게 드는 비행체를 만들 수 있다는 생각에서 비롯한 것이다.
실제 화학약품을 이용해서 아주 적은 양의 전기적 동력원으로도 날 수 있는 MAV도 만들어졌으며, 동전크기 만한 MAV도 만들게 되었다. 이는 군사·탐사·관측 등 여러 분야에 응용할 수 있다. 그중 하나가 엔터몹터(entomopter)라는 것이다.
엔터몹터는 인질 구출, 정찰, 폭탄탐지 등 도시 임무를 위해 디자인된 로봇 곤충으로 화학반응에 의해 발생되는 가스가 날개를 파닥거리게 하는 원리로 날게 된다.
이러한 날개의 파닥거림은 적은 양의 전기를 만들어 내고 또다시 그 전기를 사용해 파닥거릴 수 있게 되는 것이다.
그만큼 적은 양의 동력이 필요하기 때문에 나사(NASA)에서는 그 성질을 이용해 화성탐사에 투입할 예정으로 개발 중이다.
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