학문
싱그러운햇살
벌새는 어떻게 제자리에서 정지비행을 할 수 있나요?
벌새가 다른 새와 다르게 8자 모양으로 날개를 움직이며 공중에 정지할 수 있다고 배우는데, 이런 독특한 날갯짓이 어떻게 정지비행을 가능하게 하는지 궁금합니다.
4개의 답변이 있어요!
안녕하세요, 싱그러운햇살님. 이중철 전문가입니다.
먼저, 벌새가 공중에서 한자리에 멈춰 서 있는 정지비행을 할 수 있는 비결은 180도 회전이 가능한 유연한 어깨관절과 날개를 뒤집으며 그리는 수평 8자 날갯짓을 통해 날개를 밀고 당길 때 모두 끊임없이 양력을 만들어내기 때문이랍니다.
■ 유연한 어깨관절과 180도 날개 회전 구조
일반 조류는 날개를 아래로 칠 때만 양력을 얻고, 올릴 때는 관절을 접어 저항을 줄입니다. 반면에, 벌새는 팔꿈치 관절이 단단히 고정된 대신 어깨관절이 회전구 모양으로 발달해 날개 전체를 빳빳하게 편 채 180도 뒤집을 수 있는데요. 이러한 해부학적 특징 덕분에 일반 조류와 달리 곤충처럼 날개의 앞면과 뒷면을 모두 공기역학적으로 활용할 수 있습니다.
■ 수평 8자 궤적과 전후 양방향 양력 생성
벌새는 날개를 수평으로 눕혀 누운 8자 모양을 그리며 초당 50회에서 80회의 초고속 날갯짓을 합니다. 날개를 앞으로 밀 때뿐 아니라 180도 뒤집어 뒤로 당길 때도 공기를 아래로 밀어내며 양력을 얻는데요. 이때 앞뒤 날갯짓의 수평 추진력은 서로 상쇄되고, 날개를 뒤로 당길 때도 전체 양력의 25퍼센트 이상을 생산하여 수직 양력이 몸무게와 정확히 평형을 이룹니다. 이 정밀한 힘의 균형 덕분에 제자리에 완전히 고정된 채 꿀을 빨 수 있거든요.
정리하자면,
벌새의 정지비행은 어깨관절을 이용해 날개를 180도 뒤집는 골격 구조와 수평 8자 날갯짓을 통해 밀고 당길 때 모두 양력을 생성하고, 수평 힘을 상쇄하여 중력과 완벽한 균형을 유지하는 공기역학적 원리의 결과랍니다.
※ 질문자님을 포함하여 소중한 분들의 건강, 재산과 안전을 지키고, 혹시나 발생할 수 있을 다양한 문제 상황에 놓이지 않기 위해서라도 저를 포함하여 다양한 토픽에서 활동하는 모든 전문가분들의 아하 지식커뮤니티에서의 답변은 예외 없이 참고 용도로만 유용하게 활용하시기 바랍니다.😉
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채택된 답변안녕하세요. 이조은 전문가입니다.
벌새의 정지비행(호버링)이 가능한 핵심은 단순히 날개를 빨리 퍼덕이는 것이 아니라, 날개가 8자에 가까운 경로를 그리면서 앞뒤 방향 모두에서 양력을 만들어내기 때문입니다. 자연계가 작은 헬리콥터 하나를 만들어 놓은 셈이죠.
1. 일반적인 새는 날개를 위아래로 움직입니다
대부분의 새는 대략 이런 식입니다.
날개를 아래로 내리고 몸을 위로 밀어 올리고 날개를 위로 올리고 다음 날갯짓 준비하는 동작을 반복하며 날개가 주로 아래로 내려올 때 양력과 추진력을 만들어냅니다.
그래서 일반적인 새는 계속 날개를 움직이면서도 기본적으로 앞으로 날아가는 운동과 연결되어 있습니다.
2. 벌새는 날개를 거의 수평으로 앞뒤로 휘젓습니다
벌새의 독특한 점은 날개가 단순히 위아래로 움직이지 않는다는 겁니다. 날개 끝의 움직임을 위에서 보면 대략 8자에 가까운 궤적을 만듭니다. 중요한 것은 날개가 내려갈 때뿐 아니라 올라올 때도 양력을 만들어낸다는 것입니다.
즉, 앞쪽으로 움직이는 날갯짓으로 양력 발생하고, 뒤쪽으로 움직이는 날갯짓에서도 양력 발생하는 식으로 한 주기의 양쪽 반쪽에서 모두 공기를 이용합니다.
3. 그래서 "아래로 미는 힘"만으로 떠 있는 게 아닙니다
벌새가 정지해 있으려면 날개가 만들어내는 평균적인 위쪽 힘과 중력이 같아야 합니다.
그런데 벌새는 날개를 빠르게 앞뒤로 움직이면서 날개 주변에 공기의 흐름과 소용돌이를 만들어냅니다.
특히 날개 앞쪽에 강한 앞전 소용돌이가 형성됩니다. 이 소용돌이가 날개 위쪽의 공기 흐름을 바꾸면서 날개가 움직일 때 큰 양력을 만들어냅니다. 그래서 날개가 한쪽 방향으로 움직일 때만 양력을 얻는 게 아니라 왕복 운동 모두를 이용할 수 있는 것입니다.
4. 결정적으로 날개가 뒤집힙니다
여기가 벌새 정지비행의 진짜 재미있는 부분입니다. 날개가 한 방향으로 움직인 뒤 방향을 바꿀 때 날개 자체의 받음각과 방향도 바뀝니다.
따라서 한 번의 날갯짓 주기에서 두 번의 강력한 양력 생성 기회가 생기는 셈입니다.
5. 그런데 왜 앞으로 날아가지 않을까요?
여기서 8자 운동이 중요합니다.
벌새는 날개를 앞뒤로 거의 대칭적으로 움직이기 때문에 앞으로 만드는 힘과 뒤로 만드는 힘이 어느 정도 상쇄됩니다. 반면 위쪽 힘은 계속 누적됩니다. 결과적으로 앞으로 가지도 않고 뒤로 가지도 않으면서 공중에 떠 있을 수 있습니다. 물론 실제로는 완벽하게 정지해 있는 것은 아니고, 몸의 위치를 계속 미세하게 조절합니다. 벌새는 이 능력 덕분에 꽃 앞에서 공중에 정지한 상태로 꿀을 먹을 수 있습니다.
한 문장으로 정리하면 벌새는 날개를 8자에 가까운 궤적으로 앞뒤로 움직이고, 날개 방향을 빠르게 뒤집어 왕복 운동 모두에서 양력을 만들어내기 때문에 수평 추진력을 거의 만들지 않으면서 중력을 상쇄할 만큼의 위쪽 힘을 얻을 수 있습니다.
벌새는 어깨관절을 180도 회전시켜 말씀하신 것처럼 날개를 수평에 가깝게 누운 8자 모양으로 흔듭니다.
보통 다른 새는 날개를 아래로 내릴 때만 위로 뜨는 양력을 얻지만, 벌새는 날개를 앞뒤로 저을 때 모두 양력을 만들어냅니다. 왜냐하면 날개가 뒤로 이동할 때 어깨를 뒤집어 날개 뒷면으로 공기를 아래로 밀어내기 때문입니다.
이때 앞으로 저을 때의 전진력과 뒤로 저을 때의 후진력이 서로를 상쇄하며, 앞뒤 움직임 없이 오직 위로 뜨는 힘만 남아 공중에 정지할 수 있는 것입니다.
결론적으로 자유롭게 회전하는 유연한 어깨관절 구조와 초당 20~80회에 달하는 빠른 날갯짓이 합쳐져 헬리콥터처럼 제자리 비행을 가능한 것이죠.
안녕하세요. 임형준 수의사입니다.
벌새는 날개를 매우 빠르게 앞뒤로 움직이며 날개 각도를 계속 바꿔, 내려 칠 때 뿐 아니라 올릴 때도 양력을 만들어 냅니다. 날개 끝이 8자에 가까운 궤적을 그리면서 몸무게를 지탱할 만큼 지속적인 양력이 생겨 공중에 거의 제자리로 머물 수 있습니다.