새가 날기 위해 필요한 3가지 기본 조건
- 튼튼한 지지대: 가볍고도 견고한 골격 구조
- 비행 관련 구조: 공기 흐름을 제어하는 깃털
- 비행 에너지: 강력하고 지속적인 비행 근육
비행 중 작용하는 주요 힘
새의 비행을 이해하려면 새에게 작용하는 힘의 관점에서 고려해야 합니다. 날기 위해 필요한 양력과 추력과 날지 못하게 작용하는 중력과 항력입니다. 중력 Gravity은 새의 질량을 지표면 방향으로 끌어당기는 힘이며, 항력 Drag은 공기 분자와의 마찰에 의해 생겨나는 저항력으로 뒤로 밀어내는 힘입니다. 비행 중 이 두 가지 힘을 상쇄하기 위해 새는 위쪽으로 작용하는 양력(lift), 앞쪽으로 작용하는 추력(Thurst)을 생성해야 합니다. 이 네 가지 힘의 상호 작용으로 새는 날아갈 수 있습니다. 중력과 마찰력인 항력은 잘 알려져 있기 때문에 양력과 추력에 대해서 살펴봅니다.
양력의 생성 원리
양력은 주로 날개의 형상과 공기 흐름간 상호작용에서 비롯됩니다. 새의 날개는 일반적으로 캠버(cambered airfoil) 형태, 즉 윗면이 볼록하고 아랫면은 평평한 곡률 구조를 가지고 있습니다. 이로 인해 날개 위쪽을 지나는 공기가 더 빠르게 흐르며, 정압이 감소하게 됩니다. 반면 아랫면에서는 상대적으로 느린 속도로 공기가 흐르면서 더 높은 압력이 유지됩니다. 이 압력 차이가 날개를 위로 들어 올리는 힘, 즉 양력을 만들어냅니다. 이는 베르누이의 정리로 설명되며, 날개의 설계 원리를 뒷받침합니다.
또한 뉴턴의 제3법칙에 따르면, 날개가 공기를 아래로 밀어낼 때 그 반작용으로 공기 역시 날개를 위로 밀어올리는 양력을 생성합니다. 조금 더 설명하면, 날개는 공기 흐름을 단순히 통과시키는 것이 아니라 일정한 방향으로 바꾸어 놓습니다. 에어포일을 지나가는 공기를 아래 방향으로 편향(deflection)시키며, 그 결과 아래쪽으로 운동량을 가진 공기 흐름이 형성됩니다. 어떤 물체가 다른 물체(여기서는 공기)에 힘을 가하면 공기도 같은 크기, 반대 방향의 힘을 되돌려 가하게 됩니다. 즉, 날개가 공기를 아래로 민만큼, 공기 역시 날개를 위로 미는 힘, 즉 양양력이 발생시키는 것입니다.
세 번째 설명은 날개 끝에서 형성되는 후류 와류(trailing vortices)는 공기의 흐름을 비틀며 복잡한 양력과 항력의 패턴을 만들어냅니다. 상세하게 써 보면, 비행 중인 새의 날개 주위에는 직선적인 단순한 공기 흐름만 존재하는 것이 아니라, 복잡한 회전 흐름인 와류(Vortex)도 함께 형성됩니다. (아래 그림 참고) 이러한 와류는 양력 발생의 부산물이면서 동시에 항력 증가의 원인이기도 합니다 새가 공기를 가로질러 날 때, 날개 위, 아래를 흐르는 공기의 속도가 다르다는 점은 이미 말했지만, 속도가 다르다면 날개의 끝부분에서 이 공기들이 만나게 되고 , 이 지점에서 공기 흐름이 교란이 되어 회전하게 됩니다. 이를 와류라고 합니다. 특히 날개 끝에서 시작 와류(Starting Vortex)가 형성되며, 이 와류는 시간이 지나면서 날개 뒤쪽으로 끌려가며 발전합니다. 그 결과 날개 끝에서 마치 관처럼 뒤따라 생기는 소용돌이 흐름, 즉 후행 와류(Trailing Vortex)가 형성됩니다. 이런 와류는 공기 움직임을 재배치하여 날개 바로 뒤에는 하향 흐름을, 날개 끝 바깥쪽에는 상향 흐름을 만들어 냅니다.
날개가 생성하는 양력의 크기는 풍속과 날개의 면적에 비례하여 증가합니다. 즉, 바람이 빠르게 날개를 가로지를수록, 그리고 날개의 표면적이 클수록 더 큰 양력이 발생하게 됩니다. 이러한 원리를 이용하는 대표적인 예가 갈매기나 앨버트로스와 같은 바닷새입니다. 이들은 절벽 가장자리에 서서 바람을 맞으며, 날개를 활짝 편 채 거의 움직이지 않고도 공중에 떠오를 수 있습니다. 바람이 강하게 불어오는 날이면, 바람이 날개를 지나며 충분한 양력을 발생시켜 새를 자연스럽게 들어 올리는 것입니다. 반면, 바람이 거의 없는 날에는 상황이 달라집니다. 고요한 공기 속에서는 새 스스로 절벽 아래로 몸을 던져야 합니다. 이때 새는 중력에 의해 아래로 가속되며 낙하하고, 그 과정에서 점점 공기와의 상대 속도가 빨라지게 됩니다. 속도가 증가함에 따라 날개에 작용하는 양력도 커지고, 결국 그 힘이 중력을 상쇄할 수 있을 만큼 커질 때 새는 자유롭게 활공하며 비행을 시작할 수 있게 됩니다.
받음각(AOA, Angle of Attack)의 영향
양력은 공기의 속도, 날개의 면적 뿐 아니라 받음각(angle of attack)에 의해 결정됩니다. 받음각이란 날개의 코드선(chord line)이 공기 흐름과 이루는 각을 의미합니다. 이 각이 증가할수록 양력도 커지지만, 일정 임계값을 넘으면 날개 위에서 흐르던 기류가 분리되어 난류가 발생하며, 실속(stall) 현상이 일어날 수 있습니다. 실속은 양력이 급감하면서 비행이 불안정해지는 상태로, 조류는 착륙 직전 고의로 실속을 유도해 부드럽게 하강하기도 합니다. 이상은 정지한 날개가 움직이는 공기를 활공할 때 어떻게 양력이 생성되는지 살펴보았고 이젠 날갯짓 비행에서 어떻게 추력이 발생하는지 보겠습니다.
날갯짓 비행과 추력 생성
새의 날갯짓은 단순한 상하 운동이 아니라 고도로 정교한 동작으로 구성됩니다. 다운스트로크 동안에는 날개의 각도를 조정하여 아래쪽 또는 앞쪽으로 비틀면(즉 음의 받음각) 양력의 방향이 앞을 항햐게 되고 이를 통해 추력(thrust)을 발생시킵니다.( 첫번째 그림 C) 반대로 업스트로크에서는 날개 표면적을 줄이고 캠버를 완화하여 항력을 최소화합니다. 만약, 새가 대칭적인 거울상 비행 날갯짓을 사용한다면, 다운 스트로크의 전방 추력은 업스트로크의 후방 추력에 상쇄되어 새는 앞으로 나아가지 못할 것입니다.
이러한 비대칭 날갯짓은 노 젓기 동작과 유사하며, 날개 각도와 모양을 순간적으로 조정하여 전방 운동을 유도합니다. 비행기처럼 프로펠러와 날개가 분리된 구조가 아닌, 새는 날개 하나로 양력과 추력을 동시에 조절합니다. 이는 조류 비행의 정밀성과 진화적 적응력을 보여주는 예입니다.
깃털의 구조와 비행에서의 역할
비행에 관여하는 깃털은 단순히 가볍기만 한 구조물이 아닙니다. 깃털은 중심 축인 깃(rachis)와 이를 따라 퍼지는 깃가지(barbs), 그리고 그 사이를 연결하는 미세 갈고리(barbules)로 이루어져 있습니다. 이러한 복잡한 구조 덕분에 깃털은 공기 흐름을 매끄럽게 유지하며 필요한 경우에는 유연하게 방향을 조절할 수 있습니다.
1차 비행깃(primaries)은 추력 생성에, 2차 비행깃(secondaries)은 양력 유지에 관여하며, 꼬리깃은 방향 조절에 필수적입니다. 깃털은 또한 교체(탈피) 과정을 통해 항상 최적의 상태를 유지하게 됩니다.
요약
새가 날기 위해서는 가볍고 튼튼한 골격, 공기 흐름을 제어하는 깃털, 강력한 비행 근육이 필요하며, 비행 중에는 중력과 항력을 극복하기 위해 양력과 추력을 발생시켜야 한다. 양력은 날개의 비대칭 곡률과 공기 흐름에 따른 압력 차, 그리고 공기를 아래로 밀어내는 작용-반작용의 원리로 생성이 된다. 날개 끝에서는 후행 와류가 형성되어 양력과 항력에 영향을 미친다. 양력의 크기는 풍속, 날개 면적 그리고 받음각에 따라 결정이 된다. 받음각이 너무 크면 실속이 발생할 수 있으므로 새는 이를 조절하며 비행한다. 날갯짓을 통해 새는 양력 방향을 앞쪽으로 회전시켜 추력을 얻고 비대칭적인 날개의 움직임과 깃털의 정교한 구조를 활용하여 양력과 추력을 동시에 조절하며 효율적인 비행을 수행한다.
