유체 역학적 모델로 알아보는 개의 물마시는 습관

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-01
혹시 개가 물 마시는 것을 본 적이 있다면, 혀를 이용하여 철벅거리며 마시는 것을 볼 수 있을 것이다. 그러나 온통 물을 묻힌 채로 물을 마시는 이러한 귀여운 모습 뒤에는 육식성 보상 논리가 숨어있다. 개는 물을 끼얹으면서 마신다. 왜냐하면, 네발짐승의 포식성 뺨을 가지고 있기 때문이다. 여러 개 품종의 마시는 습관을 연구함으로써, 버지니아 공대(Virginia Tech)와 퍼듀 대학(Purdue University)의 연구진은 최근 개가 물을 마실 때의 유체 역학을 모델화하고, 이를 확인하였다. 이들의 결과물은 캘리포니아 샌프란시스코에서 열린 미국 물리학 협회의 유체 역학(DFD) 연례 회의에서 발표되었다. “3년 전, 우리는 고양이의 마시는 습관을 연구하였다”고 버지니아 공과대학의 조교수인 Sunny Jung이 말했다. Jung의 연구는 생체 유체 역학 및 연조직과 주변 유체 간의 비선형 상호 작용에 초점을 맞추고 있다. 그의 최근 프로젝트는 국립 과학 재단 리빙 시스템 프로그램의 지원을 받았다. “나는 개의 마시는 습관에 흥미를 느꼈다. 왜냐하면, 개와 고양이는 우리 주위에 항상 있기 때문”이라고 그는 말했다. 식육 목(order Carnivora)의 일원으로서, 고양이와 개는 불완전한 뺨을 소유하고 있으며, 이는 그들이 입을 크게 벌려서, 사냥감을 죽이는 데 유리하게 작용한다. 그러나 무엇이 이들에게 사냥을 유리하게 하고, 물을 빨아들이는 것을 불가능하게 하는 것일까? 그들의 뺨은 완전히 닫히지 않기 때문에, 개는 물을 빨아들일 수 없다. 반대로, 인간은 “완전한” 뺨을 가지고 있어서, 부압(negative pressure)을 형성하여 물을 마시고, 이는 우리 입을 통해서, 목 아래로 빨아들여 진다. 고양이 역시 흡입력이 부족하다. 그들은 두 부분의 “입구와 출구”를 통해서 물을 마심으로써, 이를 보상하려고 한다. 이것은 “낙하와 당기는 단계(plunging and a pulling phase)”로 구성된다. 고양이는 그의 혀를 부드럽게 물 표면에 대고, 그것을 재빨리 뒤로 뺌으로써, 혀 밑에 물기둥을 형성한다. “우리가 이 프로젝트를 시작했을 때, 우리는 개가 고양이가 비슷하게 물을 마실 거라고 생각했다. 그러나 이러한 생각이 틀렸다는 알게 되었다. 왜냐하면, 개는 그들의 혀를 물 표면에 충돌하여, 물을 튀게 하여 마시지만, 고양이는 절대 그렇지 않다”고 Jung이 말했다. 개는 혀를 물로부터 뒤로 빼서, 중력의 거의 다섯 배에 달하는 상당한 가속을 형성하며, 물기둥을 만든다. 그리고 이들 물기둥이 입안으로 들어간다. 이를 모델화하여, Jung은 철벅거리며 물을 마시는 개 혀의 전체 표면적을 고려하여, 물 표면 아래에 카메라를 설치했다. 연구진은 좀 더 무거운 개는 혀의 좀 더 넓은 습윤 면적을 이용하여, 물을 마신다고 제안했다. 이러한 결과는 이상 진화 관계(allometric relationship)가 개 혀의 물 접촉 면적과 체중 간에 존재함을 나타내며, 따라서 개 혀에 따른 물 용량은 그들의 몸 크기에 비례하여 기하급수적으로 증가한다고 밝혔다. 그들의 생리학적 방식을 좀 더 잘 이해하기 위하여, Jung과 그의 동료는 개들이 물을 마시는 모습을 지켜보았다. 연구진은 매개 변수를 변화시키고, 개들이 그들의 능력을 이에 어떻게 적용하는지를 지켜보았다. 하지만 실제로 개가 어떠한 방식으로도 변화를 하지 않았기 때문에, 연구진은 개의 혀와 입을 모델화하기로 했다. “우리는 일종의 물리적 시스템을 만들어야 했다”고 그는 말했다. 이를 위하여, Jung과 그의 동료는 개의 혀를 모사하기 위하여, 유리 튜브를 사용하였다. 이는 연구진으로 하여금, 개의 가속과 출구 과정 동안의 물기둥 형성을 모방할 수 있도록 해주었다. 그리고서 그들은 혀로 당겨진 물 용량을 측정했고, 이 물기둥이 중력으로 말미암아, 물통으로부터 분리되어, 개 입안으로 들어가는 것을 발견했다. 개는 영리하게도 물기둥이 다시 물통으로 들어가기 전에 입을 다물었다. Jung의 추후 연구는 낙하하는 바닷새의 구동 역학을 관찰하고, 개구리의 돌진하는 움직임과 고속으로 떨어지는 빗방울에 대응하는 잎사귀를 연구하는 것이다. (그림) 세 가지 각도 (A, B, 및 C)에서 개가 물을 마시는 것이 녹화된다. 만곡 혀가 빠르게 배출되고, 물의 열은 아래에 형성된다.실제 실험은 기본 유체 역학을 이해하고 특성화하기 위해 설계되었다. http://phys.org/news/2014-11-lapping-canine-tongues-columns-liquid.html