1 혹등고래 지느러미의 원리는 과연 무엇일까요?

세 가지 종류의 풍차 날개의 시간을 측정해 기록해 봄으로써 자연스럽게 혹등고래 지느러미의 이점과 원리를 학습한다.

모둠별로 역할을 분담하여 시간을 측정하고 기록까지 해보세요.

1. 세 가지 종류의 각각 다른 풍차 날개의 시간을 초단위로 기록해보세요.

시도 횟수

시간 (초)

직선 모서리 뾰족한 모서리 둥근 모서리 1

2 3 3 4 5 6 7 8 9 10

활동지 2-2

1. 초단위로 기록한 결과를 평균값을 내어 막대그래프로 그려 나타내보세요.

1초 2초 3초 4초 5초 6초 7초 8초 9초 10초

직선 모서리 뾰족한 모서리 둥근 모서리

혹등고래 지느러미의 원리는 과연 무엇일까요?

세 가지 종류의 풍차 날개의 시간을 측정해 기록해 봄으로써 자연스럽게 혹등고래 지느러미의 이점과 원리를 학습한다.

모둠별로 역할을 분담하여 시간을 측정하고 기록까지 해보세요.

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혹등고래 지느러미의 특성을 가지고 제품을 개발해볼까요?

혹등고래 지느러미의 특성을 정리해 본다.

혹등고래를 생각하면서 아래 체크리스트를 작성해보세요.

[체크리스트]

1. 혹등고래는 어디에 살고 있나요?

2. 혹등고래는 어떤 특성을 가지고 있나요?

3. 혹등고래는 어떤 장점이 있나요?

4. 혹등고래는 물에 살고 있어요,

우리 일상에서 물과 연결된 제품들이 무엇이 있을까요?

6. 바람을 이용해서 풍차 실험을 해보았는데요, 바람과 연결된 제품들은 무엇이 있을까요?

활동지 3-1

혹등고래 지느러미의 특성을 가지고 제품을 개발해볼까요?

혹등고래 지느러미의 특성을 이해하고 제품과 연관지어 생각해 본다.

1. 혹등고래 지느러미를 생각할 때 떠오르는 것을 자유롭게 적어보세요.

2. 어떤 기능, 모양, 원리들이 발견되나요?

제품 아이디어로 발전시킬 수 있는 단어나 이미지를 연결시켜 정리해보세요.

활동지 3-2

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혹등고래 지느러미의 특성을 가지고 제품을 개발해볼까요?

정리된 컨셉을 아이디어 스케치를 통해 구체적으로 표현해 본다.

1. 컨셉의 특성을 적고, 아이디어 스케치를 해보세요.

2. 상, 하, 좌, 우 여러가지 모습을 그려보고 어떤 특성이 효과적으로 적용될 지 스케치 위에 적어보세요.

활동지 3-3

혹등고래를 닮은 나만의 제품을 친구들에게 소개해볼까요?

제품을 효과적으로 말할 수 있는 방법을 이해하고 발표한다.

1. 효과적으로 발표를 잘하기 위해서 알아야 할 내용을 체크해보세요.

활동지 4-1

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서로 평가해 봅시다.

모둠별로 발표한 내용을 평가하고 함께 이해해 본다.

1. 친구의 발표를 듣고 어떤 점을 잘했는지 평가하고 이야기 해보세요.

활동지 4-2

[Information]

49 우리 주변의 살아있는 생물체들은 수백만 년에 걸쳐 자신의 생존에 가장

유리한 모습으로 진화하여 왔다. 그렇기 때문에 무한한 자연의 잠재력을 우리 생활에 적용시킬 수 있다면 우리는 보다 더 안전하고, 편안한 생활을 할 수 있게 된다. 생체 모방 기술(Biomimetics)은 자연 생물체들의 모습에 서 비롯한 창의적인 소재를 탐구하고 활용하는 분야로, 무궁무진한 발전가 능성과 광범위한 영역까지 뻗어 나갈 수 있는 공학이다.

재닌 M. 베니어스가 시사하는 바에 따르면, 우리가 생체 모방적인 미래로 가기 위해서는 다음과 같은 네 가지 준비가 필요하다.

고요히 있기: 자연 속에 파묻히기 토마스 베리의 말을 빌자면 자연과의 관 계에서 우리는 수 세기 동안 자폐적이었다. 즉, 우리식 지식에만 빠져 자연 의 지혜를 돌아보고 그를 받아들일 겨를이 없었다는 것이다. 그렇기 때문 에 우리는 우리 조상들이 했었던 것처럼 자연 속에 파묻힐 필요성이 있다.

자연 속에 파묻힌다는 말이 의미하는 바는 책이나 인터넷 같은 것에서 배 우는 것에서 벗어나 실제 자연 속으로 들어와 자연에 매료되어 보고, 작은 체험들을 통해 자연과 가까워진다는 것이다. 그러기 위해서는 우리는 자연 보다 더 나은 존재도, 더 못한 존재도 아닌 다른 생명과 동등한 위치에서 자 연을 바라볼 수 있어야 한다.

경청: 우리 행성의 동식물과의 인터뷰 여기서 인터뷰의 의미는 지구상의 종들을 명명하고, 그 명명된 종들의 재능, 생존비결, 역할 등에 대해서 가능 한 자세히 아는 것을 말한다. 물론 이 일은 과학자들이 할 수 있는 일이다.

하지만 종들의 수가 무척 많기 때문에 우리 모두가 지구상의 동식물을 인 터뷰할 필요가 있다. 이러한 이유로 재닌 M. 베니어스는 모든 연령들의 성 인들이 이 일에 약 2년간 봉사할 수 있도록 '생물학적 평화봉사단'을 만들기 를 제안하고, 이들에게 분류에 대한 필요한 지식을 가르칠 전문 인력의 양 성을 요구하였다.

생체모방기술(Biomimetics)

생체모방의 미래

[혹등고래]

몸길이 11∼16m, 몸무게 30∼40t이다. 수명은 최대 60년 정도 이 다. 전체적으로 통통한 몸에 가슴지느러미가 대단히 길어 몸길이의 3분의 1에 해당한다. 등지느러미는 낮고 등과 접촉부위가 넓다. 몸 색은 등이 검거나 흑회색이고 배는 흰색을 띠고 있지만 검은색과 흰 색의 경계가 대단히 변화가 많다. 가슴지느러미의 배면은 희다. 호흡 의 수는 1시간에 10∼20회이다. 주로 크릴새우(남극새우)와 작은 물 고기를 먹는다. 주로 태평양·대서양에 분포한다.

[혹등고래의 지느러미]

혹등고래는 큰 몸집과 달리 먹이를 쫓을 때는 엄청난 민첩성을 보인 다. 심지어 전속력으로 헤엄치다가도 순식간에 180도 방향을 돌리 수도 있다. 미국 웨스트 체스터 대학의 프랭크피셔교수는 미국 물리 학회가 발행하는 ‘유체역물리학’5월호에서 혹등고래의 비밀 무기는 앞 지느러미에 있다고 주장 했다.

공기의 저항을 덜 받으려면 표면이 매끄러워야 된다고 생각하는 것 이 일반적이지만, 혹등고래의 지느러미에는 요철 모양의 돌기가 나 있다. 이 모양이 급 선회할 때 힘을 더해주는 역할을 한다고 한다.

지느러미의 작은 혹들이 유체의 흐름을 깨트려 돌기 사이 안에 유체 가 밀려들어가게 된다. 이것이 지느러미 표면에 소용돌이를 생성하 여 양력을 증가시키고, 실속에 저항하도록 하게 만든다.

혹등고래에 대해서 알아보자.

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고래의 지느러미 돌기, 순식간에 수면위로 떠오르게하는 힘 발생 상어 톱니모양 비늘, 몸주변 소용돌이 밀쳐내 마찰저항 8% 줄여

▲ 물 위로 솟구쳐 오르는 혹등고래. 앞지느러미에 나 있는 돌기는 물의 저항을 줄이고 뜨는 힘을 증가시켜 180도 회전 등 큰 몸집에 어 울리지 않는 민첩함을 제공한다. 비행기에도 같은 원리를 이용한 돌 기가 날개에 나 있다.

1. 고래 지느러미 닮은 비행기 날개

항공기 날개 표면을 보면 직사각형 모양의 아주 작은 판이 일렬로 솟아 있 는 것을 볼 수 있다. 과학자들은 이것을 소용돌이 발생기라고 부른다. 비행 기 날개는 위로 볼록한 모양을 갖고 있는데 이 때문에 아랫면보다 공기가 [혹등고래의 지느러미 원리를 이용한 생체 모방 기술]

더 빨리 흐르게 된다 그결과 윗면의 압력이 감소해 위로 떠오르는 힘, 양력 이 발생한다.

그런데 날개가 미끈할 경우 윗면으로 흐르는 공기가 날개 끝까지 흐르지 못하고 도중에 흩어져 보린다. 이렇게 되면 양력이 감소하게 돼 비행기는 더 많은 연료를 소비할 수밖에 없다. 이것을 막기 위한 것이 바로 소용돌이 발생기다.

날개표면에 공기의 흐름을 막는 구조물이 있으면 그 뒤로 소용돌이가 발생 한다. 이 소용돌이는 날개 표면을 따라 흐르는 공기가 일찍 흩어져버리는 것을 지연시킨다. 그래서 공기저항도 감소하고 양력도 증가하게 된다. 공 기가 물로 바뀐 것이 다를 뿐, 고래의 지느러미에 있는 돌기는 바로 소용돌 이 발생기와 같은 역할을 한다는 것이 피셔 교수의 연구결과다.

2. 고래에게 배운 첨단 헬기 기술

독일 과학자들이 최근 혹등고래의 지느러미에서 하늘을 잘 날 수 있는 비 법을 배워 헬기 제작에 응용했다. 혹등고래 지느러미에 나 있는 돌기를 헬 리콥터의 회전날개에 적용해 비행의 안전성을 획기적으로 높인 것이다.

혹등고래의 지느러미는 비행기 날개처럼 단면이 위로 볼록한 모양이다. 이 때문에 아랫면보다 위쪽으로 물이 더 빨리 흐르고, 위쪽의 압력이 아래쪽 보다 낮아진다. 결국 지느러미에는 위로 떠오르는 힘인 양력이 발생한다.

지느러미의 돌기도 중요한 역할을 한다. 지느러미가 미끈할 경우 물이 윗 면을 지나 끝까지 흐르지 못하고 도중에 흩어져 버린다. 이렇게 되면 양력 이 감소한다.

최근 물리학자들은 혹등고래의 지느러미 돌기가 일종의 소용돌이를 발생 시켜 지느러미 표면을 따라 흐르는 물이 일찍 흩어져버리는 것을 지연시킨 다는 사실을 확인했다.

독일 항공우주센터(DLR) 연구진은 이 사실을 활용해 헬리콥터 성능 개선 에 나섰다. 연구진은 헬기의 회전날개 끝에 혹등고래처럼 지름 6㎜의 고무 돌기 186개를 달았다.

헬리콥터가 날아가는 쪽으로 회전하는 날개는 앞에서 불어오는 공기 덕분 에 양력을 더 많이 받는다. 이 때문에 뒤쪽으로 돌아가는 날개보다 속도가 더 빨라진다. 속도 차이는 헬리콥터의 안정성을 해친다. 심할 경우 양력을

53 잃고 추락할 수도 있다.

독일 연구진은 헬리콥터 회전날개에 돌기를 달아 양력을 더 많이 받도 록 했다. 그러자 실험에서 조종사가 차이를 확실하게 느낄 정도로 헬리콥 터의 안정성이 높아지는 것으로 나타났다. 연구진은 이 기술에 대한 특허 Leading-Edge Vortex Generators (LEVoGs)로 출원했으며, 앞으로 헬리 콥터 회전날개의 표준 기술로 발전시킬 계획이다 (조선일보 2012.2.6)

3. 풍력 터빈 웨일파워

웨일파워는 고래의 지느러미로부터 아이디어를 낸 새로운 디자인의 풍력 터빈이다. 웨일파워의 연구자들은 고래의 지느러미에 나있는 요철 형태의 돌기인 결절에 대한 공기역학적 연구를 통해 이러한 신체 기관이 양력의 손실과 항력이 결합된 감속 현상을 방지하는 데 결정적인 역할을 한다는 것을 발견하였다. 비행의 경우 감속은 고도의 저하를 가져오는 심각한 문 제요소로 작용하는 데 이로 인해 웨일파워가 개발 될 수 있었다. 그 후 웨일 파워를 개발한 회사측은 이러한 아이디어를 풍력 터빈에 적용하는 테스트 를 실시하였다. 그 결과, 제품의 성능이 시속 17마일로 두 배 정도 향상되 었으며, 항력을 절감시키는 보다 효율적인 터빈을 생산할 수 있게 되었다.

생체모방기술로 날개의 디자인을 바꿈으로써 약한 바람에도 작동하고 소 음이 적은 풍력발전기 날개를 만들었다. 기존의 날개보다 40%나 더 높은 효율을 가지고 있다.