새가 날 수 있는 이유, 양력과 베르누이(Bernoulli)의 원리

새가 날 수 있는 이유

우리는 날아가는 새들을 보며 '어떻게 저 날개만으로 날아갈 수 있을까?' 하며 신기해하곤 합니다. 새들이 날 수 있는 이유에는 과학적 원리가 숨어있습니다. 바로 베르누이(Bernoulli)의 원리입니다.

베르누이(Bernoulli)의 원리와 양력(Lift)

 

양력(lift)

베르누이의 원리는 스위스 출신의 물리학자인 다니엘 베르누이(Daniel Bernoulli)가 1738년에 발표한 원리입니다. 액체, 기체와 같은 유체들의 속도와 압력, 위치에너지 사이의 관계를 식으로서 표현했습니다. 이를 기체의 흐름 측면에서 설명하자면, 새의 날개처럼 위쪽이 볼록한 물체에 공기가 흐르게 되면, 위쪽 방향의 공기 흐름은 빨라지고 아래쪽 공기의 흐름은 느려지게 됩니다. 결국, 날개 위쪽에는 압력이 낮아지게 되고 날개의 아래쪽에는 압력이 높아지게 됩니다. 이러한 압력의 차이로 아랫방향에서 윗방향으로 힘이 작용하게 됩니다. 우리는 이러한 힘을 양력(楊力, Lift)라 정의합니다. 이러한 힘이 존재하기 때문에, 새들이 하늘에서 자유롭게 떠다닐 수 있는 것입니다.

양력, 중력, 추력, 항력

 

양력, 중력, 추력, 항력

 

 

물론, 단순히 양력이 존재한다고 해서 날 수 있는 것은 아닙니다. 날아가고 있는 모든 사물에는 양력뿐만 아니라 중력, 추력, 항력과 같은 힘들이 존재합니다. 양력과는 반대 방향으로 작용하고 있는 중력을 이겨야지만 물체는 하늘에서 뜰 수 있습니다. 한마디로, 새의 무게보다 양력이 세야지만 날아오를 수 있는 것입니다. 이 양력을 강하게 만들기 위해서는 추력이 필요합니다. 앞서 살펴보았듯이 양력은 날개 윗면과 아랫면의 공기 흐름 속도 차이로 인해 발생합니다. 결론적으로, 공기의 흐름 속도가 더 빨라진다면 양력 또한 세짐을 의미합니다. 추력이 강하다면 양력 또한 강해질 것이고, 더 높게 날 수 있게 됩니다. 새들은 비행기와 같은 비행체와 달리 추진기를 가지고 있지 않습니다. 따라서, 날개를 들어 올리면서 몸을 앞으로 내밀며 따라가는 형식을 취하며 추력가 유사한 작용을 하게 됩니다.

날기 위한 새의 조건들

이와 같은 네 가지 힘들이 적절히 분배되어야만 날 수 있게 됩니다. 하지만, 우리 몸에 날개를 부착한다고 날 수 있지는 않듯이, 새들은 날기 위해 특화된 여러 조건들을 갖추고 있습니다.

깃털로 둘러싸인 몸

새들은 인간과는 달리 온몸이 깃털로 둘러싸여 있습니다. 꼬리에 있는 깃털은 비행 시에 몸의 균형을 잡는 데 도움을 줍니다. 또한, 날개 끝에는 보통 공기의 흐름이 갑자기 바뀌게 되는데, 이를 방지하기 위해 주로 깃털이 갈라져 있는 경우가 많습니다. 이처럼, 깃털을 통해 비행에 최적화된 몸을 가지고 있습니다.

유선형의 몸

앞서 살펴본 베르누이의 원리에서처럼 유선형의 몸을 가질수록 유리합니다. 위아래 간의 공기 속도가 달라지기 때문입니다. 이처럼, 새는 유선형의 몸을 가져 비행에 유리합니다.

소화와 배설기관

새는 인간과는 달리, 대장이 아예 없으며 직장 또한 아주 짧습니다. 몸을 가볍게 하여 날기 쉽게 하기 위함이며, 항문과 요도가 하나로 합쳐져 있어 똥과 오줌이 섞여 있는 형태의 배설물을 내보냅니다. 

뼈의 구조

새의 뼈는 속이 텅텅 비어 있습니다. 비어 있는 뼈는 새의 몸을 매우 가볍게 해 주고, 이를 통해 중력을 줄여 결국 하늘에서 날기 쉬워집니다. 무게가 줄어들기 때문에 조금의 양력만으로도 하늘에서 뜰 수 있게 되는 것이죠.

공기주머니

새는 보통 5~9개 정도의 공기주머니를 가지고 있습니다. 이를 통해 비교적 산소가 희박한 높은 고도의 비행에서도 문제없이 비행할 수 있습니다. 또한, 무게를 가볍게 해주는 장점 또한 존재합니다.

발달된 근육

사람에 비해 상대적으로 작은 새들이지만, 그 무게에 비해 굉장히 튼튼한 근육을 가지고 있습니다. 새는 자기 몸무게에 대한 근육의 힘이 사람에 비해 7~8배나 됩니다. 이렇게 강력한 가슴 근육을 가졌기 때문에, 비교적 먼 거리의 비행에도 무리가 없습니다. 실제로 비행을 오래 하는 새일수록 가슴 근육의 비율이 높고, 비행을 적게 하는 새일수록 가슴 근육의 비율이 낮습니다.