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2006-12-17 02:36:14, 조회 : 6,162, 추천 : 911 |
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1)잠자리(dragon-fly)
곤충 중에서 가장 교묘하게 비행하는 것이 잠자리이다. 잠자리는 전진 후퇴가 자유로운 것은 물론 공중에 정지한 상태에서 갑자기 시속 50km 가까운 속도를 낼 수도 있다.보통 곤충은 다리를 내놓은 채 나는데 비해 빨리 나는 잠자리는 다리를 접어넣고 비행한다. 그리고 크고 잘 보이는 눈으로 먹이를 찾으면, 다리를 내놓아 바구니같이 만든 다음 고속으로 덤벼들어 잡아버린다. 잠자리는 다른 곤충들에게는 무서운 존재이다. 잠자리가 원시적인 모습 그대로 3억년 이상이나 살고 있는 것도 그 우수한 비행능력이크게 도움이 되었기 때문이라 해도 좋을 것이다.
그 교묘한 비행능력의 비밀의 하나는 글라이더같이 날씬한 동체에 가늘고 긴 날개를 갖춘, 비행에 적합한 모양을 하고 있다는 것을 들 수 있을 것이다.
잠자리의 날개를 잘 살펴보면 날개의 앞 테두리가 튼튼하고 날개 전체에 빽빽한 날개맥이 있다. 그리고 뒤 테두리는 강하게 당겨져 있어 날개의 막이 팽팽하게 그 모양을 유지하고 있다는 것을 볼 수 있다. 날개의 일부를 자르면 장력을 잃어 날개는 쭈그러진다.
날개짓은 상하운동에 그치지 않고 날개의 경사도를 바꾸는 운동이 동반된다. 이 날개의 경사도를 바꾸는 운동에는 날개의 탄성변형이 이용된다. 즉 날개의 탄성축은 날개맥의 앞쪽에 있고, 날개의 전후방향의 중심위치를 잇는 중심선이나 공기의 힘이 작용하는 풍압중심은 그보다 뒤쪽이 되므로 날개를 젖는 운동에 자연적으로 반동이 동반되고 그래서 날개의 경사도가 바뀌게 된다. 이 때문에 날개를 그냥 저어도 양력과 추진력이 동시에 생기는 것이다.
많은 곤충은 두 쌍의 날개를 교대로 연속해서 젖는다. 이렇게 하려면 관절로 날개가 연결되어있는 흉부를 아래위 근육으로 오므라들게 해서 날개를 올리고, 앞뒤의 근육으로 오므라든 것을 잡아당겨 폄으로써 날개를 내리는 간접적인 날개짓 방식을 취해야 한다. 이런 방식으로 날개짓에 수반되는 관성의 힘을 보충함으로써 높은 주파수의 날개짓이 가능하게 된다.
이에 대하여 독특한 것이 잠자리의 날개짓 방식이다. 잠자리의 경우에는 네 날개의 지렛목의 안쪽과 바깥쪽에 각기 근육이 붙어있고 그 근육이 교대로 수축함으로써 지렛대처럼 직접 날개를 움직이게 되어 있다. 그러므로 잠자리는 좌우 1벌씩인 두벌의 날개를 한꺼번에 젓는 것이 아니고 어떤 시간차를 두어 교대로 저으면서 날고 있다. 이 때문에 몸을 수평으로 한 채 공중에 정지하거나,그 모양대로 갑자기 고속비행을 하거나,또는 날개를 따로따로 움직임으로써 재빠른 방향전환도 할 수 있다. 잠자리가 공중에서 정지비상을 하거나 급하게 방향을 바꿀 수 있는 것은 4개의 날개를 훌륭하게 움직일 수 있기 때문이다. 잠자리의 날개는 길고 시맥(翅脈)이 매우 많고 튼튼해 비상력이 강하다. 시속 60km 정도로 나는 잠자리가 있는가 하면, 된장잠자리처럼 떼를 지어 먼 곳까지 이동해 적합한 곳에서 정착하는 것들도 있다 말하자면 2륜구동이 아닌 4륜구동의 우수한 기동성을 지니고 있는 것이다.
물론 이를 위해서는 강력한 동력원- 즉 근육이 필요하다.잠자리의 가슴을 쪼개보면 거의 근육으로 차 있다는 것을 볼 수 있다.그리고 잠자리에게는 아포템이라는 고무보다 탄력성이 뛰어난 단백질이 있어서 이것이 흉부의 탄성과 함께 날개젓기에 탄력을 더해주어 큰 날개를 1초에 25~30회나 저을 수 있는 힘을 내게 하고 있는 것이다.
비행구조면에서 볼 때 잠자리는 다른 곤충들과 많은 점에서 다르다. 잠자리는 구부러진 흉부 때문에 날개를 움직이는 근육이 (때로는 수직방향이 아니라 거의 수평에 가깝게) 기울어져 있다. 더욱이 이 근육들은 날개가 다소 작은 호를 그리며 움직이도록 날개의 밑동,즉 받침점의 양쪽에 있는 한 벌의 밑동에 직접 붙어있다. 대부분의 곤충들의 경우 주요 비상근은 날개 밑동이 아니라 날개 밑동사이에 있는 튼튼한 아치형 등딱지에 붙어있다. 이 ‘간접’ 비상근이 수축하면 흉부의 윗부분을 내리누르면서 날개기부에 압력을 가해 날개를 들어올리게 된다.
잠자리의 경우는 날개가 등쪽에 가깝게 붙어있고 간접 비상근들은 날개를 움직이는데 중요한 역할을 하지 않는다. 하지만 바로 날개 밑동에 붙어있는 직접 비상근은 어떤 다른 곤충군보다도 훨씬 더 발달해있다. 잠자리의 앞날개와 뒷날개는 서로 독립해서 움직인다. 더 나아가 이 곤충들의 날개근육은 동시성을 갖는다. 다시 말해서 한번 신경자극이 올때마다 한번씩(1초에 약30번) 날개를 친다는 뜻이다. 이는 파리나 벌처럼 보다 근래에 진화한 곤충과는 강한 대조를 이루는 측면이다. 꿀벌은 1초에 200번에서 250번 정도 날개를 치고,어떤 모기들은 1초에 1천번이 넘게 날개짓을 한다고 한다.이렇게 훨씬 더 빨리 날개를 치는 것은 이 곤충들의 비상근이 비동시성을 갖기 때문에 가능하다. 다시 말해서 근육이 신경자극과는 정확히 일치하지 않는, 매우 빠른 자체적 수축리듬을 갖고있기 때문이라는 것이다. 같은 무게일 때 고등 곤충들의 비상근은 어떤 다른 생체조직보다도 많은 에너지를 낸다. 하지만 잠자리들은 상대적으로 느린 날개짓, 작은 호를 그리며 움직이는 날개, 앞날개와 뒷날개 사이에 동시성이 없는 점, 강하게 경사진 필시 원시적인 직접 비상근의 이용 등으로 제한을 받고 있다. 심지어 날개를 뒤로 접기 위한 장치도 없다. 이러한 점에서 곤충학자들은 원시날개를 가졌다고 하여 잠자리를Palaepterous라고 부른다. 그러나 ‘원시적’이라고 해서 ‘성공하지 못한 것’은 절대 아니다. 잠자리가 원시적인 모습 그대로 3억년이상이나 살고 있으면서 근래에 진화한 파리나 벌의 포식자라는 사실은 잠자리의 그 우수한 비행능력을 입증하는 것이다.
활주비행과 안정적 공기역학 에너지들
잠자리 Sympetrum sanguineum가 자유롭게 활주비행하는 모습이 커다란 비행구역 안에서 촬영되었다. 활주 통로 복구는 비행체의 가속도를 증가시키는 원인을 제공하였다. 가속도가 일정할 때, 잠자리에 미치는 양력과 항력은 계산될 수 있다. 이러한 활주 비행으로부터 기록된 최대 양력 계수는 0.93이었다. 그러나 이것을 반드시 양날개로부터 가능한 최대치라고 보면 안된다.
양날개를 위한 레이놀즈 번호 700-2400과 몸체들을 위한 레이놀즈 번호 2500-15,000에서 안정적인 공기흐름을 얻으면서 S. sanguinem과 실잠자리 Calopteryx splendens의 격리된 양날개와 몸체들로부터 양력과 항력이 추가로 측정되었다. 최대 양력 계수는 잠자리의 경우 1.07이며, 실잠자리의 경우 1.15의 수치가 나왔는데, 이는 메뚜기를 제외하고 기록된 다른 모든 곤충들의 것보다 훨씬 높았다. 영점 공격 각도(zero angle of attack) 0.07에서 0.14 사이에 걸쳐 있으며, 평평한 판을 위하여 준비된 블라시우스(Blassius) 평가보다 약간 많았다. 다른 곤충들의 날개와 비교할 때 잠자리의 양날개는 예외적으로 안정된 상태의 공기역학적 특성을 보여준다. 단호한 공기의 흐름 모형은 몸체 항력 자료상에서 시험되었다. 또한 세로 방향의 몸체 축에 정상인 점성의 힘(viscous forces)들은 기생 항력(parasite drag)에 상당한 영향을 미친다. 그리하여 속도에 대한 항력의 선형 의존도는 비영점 몸체 각도(non-zero body angles)상에서 잠자리들에 대한 기생항력을 예견하는 모형 안에 삽입될 수 있다.
날개짓 비행의 속도와 가속도 및 운동전달이론
잠자리 Sympetrum sanguineum와 실잠자리 Calopteryx splendens가 자유롭게 날개짓을 하며 비행하는 모습이 커다란 비행구역 안에서 3000 프레임(frames) s-1 정도로 촬영되었다. 이 비행을 위하여 날개끝 익단의 운동전달이론이 설명된다. 두 종의 잠자리의 크기가 모두 비슷하다는 것을 제외하고라도, 실잠자리는 잠자리보다 절반 정도의 홰치기 빈도를 지니고 날아다녔다. 실잠자리는 날개짓을 실행할 수 있었으며, 이러한 조종 중에 양날개가 서로 가까이 근접한 비율은 날개짓 중에 생긴 전체 동력과 상관관계에 있었다. 잠자리는 세로 방향의 몸체 축에 관해서는 일련의 동작 단계로써 양날개짓을 한다. 이와 대조적으로 실잠자리는 이 각도에 있어서 커다른 변화를 보여주었다. 두 종들은 그들의 동작단계들을 거의 합성적인 힘과 추진력의 방향에 정상적으로 일치시켰다. 이것을 얻기 위해 잠자리의 몸체가 갖는 일직선 정렬은 추진력의 방향으로부터 독립되어 이루어진다. 실잠자리보다는 잠자리의 경우에 속도와 가속도가 훨씬 높았다. 그러나 날개짓 시간 동안에 정상화된 무차원적 속도 가속도들은 실잠자리쪽이 훨씬 높았다.
상승과 동력의 필요조건들
보통의 준안정 앙력 계수 분석 기법은 잠자리 Sympetrum sanguineum와 실잠자리 Calopteryx splendens의 자유 비행에도 적용되어 왔다. 이 분석기법은 자유 비행에 관련된 것으로 항공기가 한쪽으로 흔들리는 것과 가속도를 수용하고 있다. 특정한 합성적 공기역학상의 힘이 주어진다면(추진력), 실잠자리가 지니는 보통의 양력 계수는 실잠자리의 날개치기와 활발하게 날개를 움직이는 것 때문에 잠자리의 양력 계수보다 더 높을 것이다. 이 두가지 종들에 있어서 최대기 보통 양력 계수는 안정적인 보통 양력 계수보다 높았다. 두가지 종들은 각자의 날개치는 단계들을 거의 추진력에 정상이 되도록 비행에 필요한 보통 양력 계수를 감소시켰으며, 이전에 발표된 것과는 달리 수평선상에서 가파르게 기울어지려는 날개치기 단계와 더불어 공기 중에 떠오르면서 천천히 비행하였다. 상대적으로 날개를 가속하는데 그다지 많은 희생이 요구되지 않으므로 비행에 필요한 공기역학상의 힘은 압력에서부터 나온 역학적인 힘의 결과를 보여주게 된다. 최대치 압력 질량 즉 특정 힘은 S. Sanguinen과 C. splendens가 각각 156과 166 Wkg-1로 측정되었다. 비행이후의 열량 소모 측정은 S. Sanguinen과 C. splendens가 각각 13 %와 9%의 역학적 효율로 측정되었다.
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