보행과 에너지의 관계

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2015-02-06

2000년, 개통된 런던 밀레니엄 인도교를 처음으로 횡단하는 자선 행사에 참가했던 사람들은 그들이 자연스럽게 좌우로 흔드는 보행 동작으로 말미암아 현수교(suspension bridge)가 흔들린다는 것을 알게 되었다. 이것은 그 날 일어났던 물리적 현상이었지만, 오하이오 주립 대학의 과학자들은 왜 사람들이 의식적, 그리고 무의식적으로 같은 보조에 맞추어 걷게 되는지, 그리고 그들 아래로 다리가 흔들리고 있음에도, 그와 같은 방식으로 보행을 계속하는지를 설명하고자 했다. 다리의 흔들거림은 그날 다리 위에 있던 많은 사람을 불안하게 만들었으며, 이로 말미암아 이 다리는 수정 설계를 위하여 그 후 2년 동안 문을 닫는 결과를 낳았다. 그러나 보행자는 그들 스스로 그 보행을 이끌었다고 할 수 있다. 왜냐하면, 고정된 표면을 걸을 때보다, 흔들리는 표면을 걸을 때, 5%의 에너지를 줄일 수 있기 때문이라고 오하이오 주립 대학 운동 연구소의 기계 공학자이자 조교수인 Manoj Srinivasan은 말했다. “우리가 발견한 것은 다리 위에 오직 몇 사람만이 있을 때의 에너지적으로 가장 적합한 상태는 보행자가 다리의 흔들림 없이 걷는 것이다. 그리고 만약 다리 위에 충분히 많은 사람이 있는 경우에는, 다리가 흔들리는 것이 좋다. 그것이 에너지를 절감하는 방법”이라고 Srinvasan이 말했다. 이 연구는 2015년 2월자 Proceedings of the Royal Society A.에 발표되었다. 공학자들이 다리에 댐퍼(dampers)를 추가하고, 2002년 다리를 다시 개통하기 전의 이 다리 구조는 트레드밀(treadmill)과 다르지 않은 일종의 “탄력성(springiness)”을 가지고 있었다고 그는 설명했다. 그러나 고정된 트레드밀과는 달리, 이 다리는 그것의 강철 케이블에 의해 좌우로 흔들릴 수 있었다. 이러한 상황은 사람들이 특정한 방식으로 걷도록 유도한다. Srinivasan과 그의 연구진은 사람들이 걷는 방식을 설명하기 위하여, 다리 운동에 관한 완전한 이론을 개발하고자 했다. 안정성은 물론 우리가 걸을 때 고려하는 주요 관심사이다. 그러나 그 이상으로, 연구진은 사람들의 그다음 관심사가 어떠한 상황에 상관없이, 에너지를 절약하고자 하는 의지라는 것을 발견했다. 이 효과를 그와 그의 연구진은 “최대 게으름 원리(the principle of maximum laziness)”라고 부른다. “사람들은 그들의 보행 리듬과 걸음 너비, 그리고 길이와 같은 요인을 조정하려는 경향이 있으며, 만약 그렇게 한다면, 아주 작은 양의 에너지라도 절약할 수 있다”고 그는 말했다. “물론 사람들은 안정돼야 한다. 그러나 일단 그들이 안정되면, 사람들은 그들이 가장 덜 피곤한 방식으로 몸을 이동하고 싶어한다. 5%가 그리 큰 에너지 절감처럼 들리지 않지만, 그것은 학교 가방을 메고, 또는 그것 없이 가는 것의 차이다. 그것이 큰 짐은 아니지만, 사람들은 알아차릴 수 있다”고 이 논문의 주요 저자이자, 박사후 연구원인 Varun Joshi가 말했다. 궁극적으로, Joshi와 Srinivasan은 흔들리는 표면을 사람들이 어떻게 움직이는지를 실험실 환경에서 시험자고자 했다. 물론 이러한 설치가 그리 쉽지는 않다. 하지만 이들 연구의 분석을 위해, 연구진은 컴퓨터 모델을 통해 평평한 표면을 걷는 단순화된 인체를 만들었다. 그들은 이것을 전형적인 트레드밀을 걷는 모델과 비교하였다. 여기에 탄력성과 함께, 흔들림 기능을 가진 원래의 밀레니엄 다리 설계를 적용하였다. 일반적인 트레드밀에서, 모델 인간은 우리가 걸을 때 보통 하는 방식과 같이 위아래로 움직인다. 이러듯 표면을 밀어내며 도보하는 동작은 우리의 에너지 대부분이 소모되는 이유이다. 그러나 양옆으로 움직이는 트레드밀에서의 모델은 앞으로 나아가는 동작을 할 때, 위아래로 덜 움직이기 때문에, 이를 위해 다리가 필요한 5%의 에너지를 절약할 수 있다. 흔들리는 빈도와 다리의 속성은 에너지 절감 발생의 원인이 된다. 밀레니엄 다리 개통에 Srinivasan이 관심을 가지는 이유는 그러한 흔들림을 만들기 위하여 사람들이 어떻게든 자발적으로 운율을 맞춘다는 것이며, 이는 다리를 더욱 흔들게 만드는 원인이 된다. 그 날 다리 위에 있던 사람들은 그들의 보폭을 넓히는 듯 보였으며, 무의식적으로 흔들림을 증가시키기 위하여, 그들의 좌우 힘을 증가시켰다. “궁극적으로, 이러한 행동은 안정성과 에너지의 균형에 있을 것이다. 넓은 보폭은 안정성을 증가할 수 있지만, 만약 당신이 흔들리는 다리 위를 걷고 있다면, 넓은 보폭이 에너지를 줄일 수 있음을 우리는 발견했다”고 그는 말했다. 그러한 방식으로 우리 자신을 유도하는 모든 힘을 이해하기 위해서는 더 많은 추후 연구가 필요하다. 그러나 이러한 연구는 로봇뿐만 아니라, 보철 및 기타 보조 장치의 설계에도 많은 도움을 줄 것이다. (그림) 미국 오하이오 주립 대학의 연구진이 고정된 표면을 걷는 것보다 흔들리는 표면을 걷을 때 5%의 에너지를 덜 소비한다는 연구 논문을 발표했다. 이 연구는 2000년 잇따른 재설계를 위하여 잠시 개통을 미룬 런던 밀레니엄 인도교(London Millennium Footbridge)에 영감을 받아 수행되었다. 이 다리는 2014년 재설계(흔들리지 않도록) 후 다시 개통되었다. Walk.jpg http://phys.org/news/2015-02-energy-strolling-sway.html