뉴턴 만유인력 법칙으로 ‘이것’까지 설명한다 [달콤한 사이언스]

동물의 날갯짓이나 지느러미 움직임 빈도는 크기와 상관없이 뉴턴의 만유인력 방정식으로 설명할 수 있다는 연구 결과가 나왔다. 네이처 제공

뉴턴이 떨어지는 사과를 보면서 착안했다는 만유인력 법칙, 중력원리는 질량을 가진 물체 사이에 작용하는 힘을 설명한다. 만유인력 법칙은 천체의 움직임과 로켓, 위성 등 우주기술 개발에 많이 활용된다. 그런데, 새의 날갯짓과 물고기의 지느러미 움직임까지도 만유인력 법칙으로 설명할 수 있다는 분석 결과가 나왔다.

덴마크 로스킬데대학 과학·환경학과 연구팀은 새와 곤충, 박쥐, 고래, 물고기의 날개와 지느러미 움직임을 뉴턴 중력 방정식으로 추정할 수 있다고 7일 밝혔다. 이번 연구 결과는 미국 공공과학도서관에서 발행하는 국제 학술지 ‘플로스 원’ 6월 6일 자에 실렸다.

비행이나 수영 능력은 다양한 동물 집단에서 독립적으로 진화했다. 특히 비행에 필요한 에너지를 최소화하기 위해 생물학자들은 동물이 날개를 펄럭이는 주파수가 날개의 자연 공명 주파수에 의해 결정된다고 봤다. 그러나, 날갯짓에 대한 보편적 수학적 설명을 찾지 못했다.

연구팀은 차원 분석을 사용해 날아다니는 새, 곤충, 박쥐의 날갯짓 주파수와 펭귄, 고래를 포함해 수영하는 동물의 지느러미 움직임을 설명하는 방정식을 찾았다. 그 결과, 날거나 잠수하는 동물은 날개나 지느러미를 날개 면적의 제곱근으로 나눈 값에 비례하는 빈도로 움직인다는 사실을 발견했다. 벌, 나방, 잠자리, 딱정벌레, 모기, 박쥐, 벌새 등 몸집이 작은 동물부터 백조를 비롯해 몸집이 큰 조류에 대한 날개 움직임에 대한 공개 데이터와 비교해 방정식의 정확도를 확인했다. 또 펭귄, 혹등고래, 북방긴수염고래 등 여러 종의 해양 동물 지느러미 스트로크 빈도에 대한 기존 데이터와 방정식의 정확도를 비교했다.

그 결과, 체질량, 날개 면적, 날갯짓 횟수 사이 관계는 동물의 몸 크기, 날개 모양, 진화의 역사에 차이가 있음에도 거의 변하지 않는 것으로 나타났다. 멸종한 가장 큰 비행 익룡인 케찰코아틀루스 노스트로피도 0.7㎐ 주파수로 10m 날개를 펄럭였던 것으로 추정했다.

연구를 이끈 티나 헤크셔 로스킬데대 교수(수리물리학)는 “이번 연구는 만유인력 법칙이 날개 및 지느러미 움직임과 심장 박동이 1만 배 이상 차이 나는 대왕고래부터 모기까지 414종 동물들을 설명할 수 있는 가장 간단한 수학적 설명”이라며 “이번 연구 결과는 비행 로봇을 개발하는 데 도움이 될 것으로 기대한다”고 말했다.

유용하 과학전문기자