노란 나비, 흰나비, 춤을 추며 오는 이유는?
지난 3월 16일 진달래를 시작으로 서울은 개나리, 벚꽃, 목련처럼 잎보다 꽃이 먼저 피는 꽃들이 피었습니다. 기상청은 “서울 종로구 송월동 서울기상관측소에 있는 벚꽃 기준 표준목에서 24일 벚꽃 개화가 관측됐다”라고 밝혔는데요. 1922년 관측을 시작한 이래 가장 이른 개화였습니다.
날씨가 따뜻해지면서 개화 시기가 앞당겨졌습니다. 그만큼 나비도 일찍 찾아오게 되었습니다. 그런데 나비는 엔진을 달아 빠른 속도로 비행하는 비행기나 프로펠러가 달린 헬리콥터, 드론과 달리 사뿐히 비행하는 것이 특징입니다. “노란 나비 흰나비 춤을 추며 오너라”라는 동요 <나비야>의 가사처럼 나비는 현란하게 비행할 수 있습니다. 도대체 나비의 비행술에는 어떤 비밀이 숨겨져 있는 것일까요?
나비의 현란한 비행술은 뒷날개의 힘
https://www.youtube.com/watch?v=6JpLR2hpfSk)
나비가 펄럭일 때 한 번은 몸통 위로, 한 번은 몸통 아래로 지그재그 움직이는 모습을 관찰할 수있다. (출처: National Geographic 유튜브 채널)
나비가 나는 모습을 관찰해보신 적이 있으신가요? 나비는 오르락내리락하면서 지그재그로 움직이며 앞으로 나아갑니다. 사람이 두 팔로 원을 그리며 물 밖으로 뻗고 두 다리는 동시에 위아래로 발차기를 하는 접영을 할 때 움직임이 비슷합니다. 이 때문에 접영을 영어로 나비 헤엄(butterfly stroke)이라고 부릅니다.
사람이 접영을 할 때 물의 흐름을 타듯 나비는 공기의 흐름을 타기 때문에 벌이나 파리처럼 날갯짓을 많이 할 필요가 없습니다. 벌은 1초에 190회, 모기는 800회가량 날갯짓을 해야 하지만, 나비는 초당 10~12회 정도만 펄럭일 뿐입니다. 그래서 벌이나 모기, 파리가 날 때는 ‘앵~’하는 소리가 나지만, 나비가 날아다닐 땐 거의 아무런 소리도 들리지 않습니다.
미국 코넬대 연구팀은 나비 날갯짓의 비밀을 알아내기 위해 앞날개를 떼어낸 뒤 나비의 비행을 관찰했습니다. 이 결과, 앞날개를 잃은 나비는 날 수 없었습니다. 이번에는 뒷날개를 떼어냈는데 나비가 앞날개 한 쌍으로 사뿐히 날아올랐습니다. 비행하는 모습도 날개 두 쌍을 가지고 날 때와 큰 차이가 없었습니다. 즉, 나비는 앞날개만으로 비행하는 데 문제가 없었던 것입니다.
나비는 다른 곤충과 비교했을 때 몸통보다 훨씬 커다란 날개를 갖고 있습니다. 그것도 앞날개 2장, 뒷날개 2장으로 모두 4장(2쌍)을 갖고 있습니다. 그런데 실험에서는 앞날개만으로 비행이 가능했습니다. 그렇다면 나비의 뒷날개는 필요 없는 것일까요?
연구팀은 배추흰나비와 집시 나방의 비행 궤적을 3차원 비디오로 촬영해 느린 동작으로 자세히 살펴보았습니다. 그러자 육안으로 알 수 없었던 새로운 사실을 알게 되었습니다. 앞날개만으로 비행했을 때의 궤적이 앞뒤 날개를 온전히 지녔을 때보다 단순해지고 속도도 느려졌던 것입니다.
이처럼 나비는 뒷날개가 없어도 지그재그 비행이 가능하지만 비행 속도가 느려지면 천적에게 잡아먹힐 위험도 커집니다. 또 포식자가 나비의 비행 궤적을 예측하며 달려들 때 나비는 두 쌍의 날개를 활용해 비행 방향과 속도를 자유자재로 바꾸어 추적을 피할 수 있도록 진화한 것입니다.
인간이 따라잡지 못한 나비의 비행술
오랜 옛날부터 인간은 새와 곤충처럼 하늘을 날고 싶었습니다. 그래서 비행기와 헬리콥터를 발명했을 것입니다. 그러나 나비처럼 우아하게 하늘을 나는 비행술은 아직 모방하지 못하고 있습니다. 현재까지는 새의 날개를 모방한 비행기의 개발이 다수를 이루고 있습니다.
비행기 날개는 앞부분이 둥글고 뒤쪽으로 갈수록 뾰족한 유선형 형태로 생겼습니다. 공기저항을 최소로 하기 위한 것인데, 활주로에서 비행기가 속도를 높이면서 달리면 공기가 유선형 날개 위쪽으로는 빠르게 지나갑니다. 반면 날개 아래쪽으로는 느리게 공기가 지나갑니다. 이처럼 활주로에서 날개의 위아래로 생기는 공기의 속도 차이는 압력 차이를 만들어냅니다.
이때 공기 압력이 높은 아래쪽에서 낮은 위쪽으로 날개를 밀어 올리는 양력이 발생합니다. 양력이 점차 커져 비행기의 중력보다 커지면 비행기는 활주로에서 날아올라 하늘을 날 수 있게 되는 것입니다. 그 뒤 비행기의 날개 각도를 조절해 고도를 높이거나 낮출 수 있습니다. 날개의 각도를 세우면 공기저항이 커져 앞으로 나아가는 힘이 줄어들지만 위로 뜨는 양력은 커지고, 반대로 날개 각도를 낮추고 속도도 늦추면 양력이 작아져 착륙하게 되는 것입니다.
그런데 나비는 비행기처럼 도움닫기를 해서 양력을 얻는 방식이 아닙니다. 나비가 하늘을 날려면 가장 먼저 양쪽 날개를 몸통 가운데 윗부분에 모읍니다. 그리고 부채질을 하듯 두 날개를 아래로 힘껏 떨어뜨린답니다. 그러면 날개 앞쪽 윗부분에 작은 공기 소용돌이가 만들어지면서 공기 압력이 낮아지지요. 양력이 발생하는 순간입니다. 몸이 지면에서 뜨기 시작한 나비는 양 날개를 위아래로 힘껏 펄럭이는 방법으로 더 큰 양력을 얻어 앞으로 나아갈 수 있습니다.
나비를 닮은 드론이 나올까?
나비는 비행기와 달리 앞으로 나아가는 비행과 제자리 비행이 모두 가능하고 돌풍이 불어도 뛰어난 안정성을 보인다고 합니다. 비행기가 매끈한 날개 주위에 공기 흐름을 만들어서 비행하는 반면, 나비는 두 쌍의 날개가 만드는 미세한 소용돌이로 비행하기 때문입니다.
이와 관련, 한국항공대 장조원 교수팀은 제자리 비행에 능숙한 박각시나방을 실물의 5배 크기 로봇으로 제작한 뒤, 공기가 아닌 물속에서 날갯짓을 관찰했습니다. 물속에서는 로봇의 날갯짓이 실제 곤충의 속도보다 250배 느리게 움직이면서도 10배 강한 힘을 내기 때문에 물체의 운동 특성을 쉽게 분석할 수 있기 때문입니다. 연구진은 속도에 따른 힘의 변화를 측정하고 날개 주위에 발생하는 소용돌이의 변화를 분석했습니다.
그 결과 날개를 파닥이면서 그 위로 소용돌이가 발생할 때 로봇에 가해지는 양력이 2배 가까이 높아지는 것으로 확인됐습니다. 또 이 소용돌이가 안정적으로 생겨날수록 로봇의 최대 비행속도가 함께 높아졌습니다. 장 교수는 “곤충의 비행속도는 보통 날갯짓 속도의 약 25%인데, 그 이유를 이번에 처음으로 밝혀냈다”라고 설명했습니다.
나아가 장 교수팀은 나비의 비행술을 정밀하게 연구해 기존 비행체와 달리 오랜 시간 저속 비행이 가능하고 소음이 적어 적군에게 위장이 가능한 드론을 개발할 계획이라고 합니다.
[참고문헌]
· Jong-Seob Han, Jo Won Chang, Jae-Hung Han, 2016, The advance ratio effect on the lift augmentations of an insect-like flapping wing in forward flight, Journal of Fluid Mechanics, 808 pp.485–510.
· 이근영, 2021, 100년 만에 가장 일찍 핀 서울 벚꽃…봄꽃 ‘동시상영’ 이유는?, 한겨레, 3월 26일자
· https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1579515&cid=50344&categoryId=50344
