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수중생물 속 역학과 응용

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by

민영 이

on 20 April 2015

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Transcript of 수중생물 속 역학과 응용

해양오염
목 차
혹등고래

주제 선정 이유
dynamics and application
in the underwater creatures


수중생물 속 역학과 응용
발표일자: 2015.4.20
과목명: 스포츠생체역학
20143305 김기윤
20143334 윤혜진
20143336 이민영
20143341 이한솔
20133248 천호정

담당 교수 : 이현섭

주제 선정 이유
수중생물의 형태와 헤엄원리, 응용

- 물고기, 상어, 고래, 해파리

결론

참고문헌
물고기
공기가 희박한 수중에서는
어떤 역학적 원리가 숨어있을지 궁금해짐

수중생활
지느러미로 움직임
아가미 호흡
비늘로 덮여있는 몸
물고기의 종류
방추형
측편형
편평형
장어형
구형
리본형
앞, 뒤 - 방추형
단 면 - 달걀형
외 형 - 유선형
물의 저항

물과의 마찰
최소화
로 헤엄 가능
물고기의 지느러미
추진력

방향전환
꼬리지느러미 : 추진력
등, 배지느러미 :
방향안정성, 측력
가슴지느러미 :
다양한 운동능력
물고기의 아가미
수많은 가닥으로 갈라져서
물과의 접촉면을 넓히고 있음
속에는 모세혈관 발달

물에 녹은 산소를 체내로
체내의 이산화탄소
물속으로 배출
물고기의 비늘
뿌리만 살갗에 박혀 있고
나머지는 붙어 있지 않음
바다
에서의 짠
바닷물이 몸속으로
침투하는 것을 방지

에서는 농도가
높은 체액이 바깥으로
희석되지 않도록 막아줌
잘 움직이게 해줌
물고기의 부레
: 몸 안에 있는
수심 조절 공기 주머니
몸 안 기체의 양에 따라
수심의 깊은 곳과 얕은 곳
자유자재로 움직일 수 있게 함
양 많음 - 뜸
적음 - 수심 깊은 곳으로
기체 (혼합물)
물고기의 헤엄침
추진을 하거나 방향을 정할 때

꼬리지느러미와 몸체의 뒷부분을
좌우 또는 상하로 흔들면서 움직임

=>
부채운동
부채로 바람 일으키는 것과
같은 원리로 물을 물고기
뒤로 보내는 기능 수행하여
추진력 발생시킴

출발과 정지, 선회등같은
다양한 운동

대부분의 물고기가
다른 부위의 지느러미에 비해
꼬리지느러미가 상대적으로 큰 이유
대부분의 추진력과
선회 등의 기동력이
꼬리지느러미에 의하여
제공되기 때문

물고기 로봇
물고기 각 부위의 원리 본따서 만듬

수중에서 물고기처럼 움직여야 함
해양 탐사와 자원채취 등
수중에서 활동하는 목적으로
이용되고 있기 때문

지느러미 모양, 기능 거의 그대로 사용
꼬리 지느러미
: 추진력을 발생시키는데 이용

옆 지느러미(가슴지느러미)

: 주로 양력 발생시킴

옆 지느러미의 움직임
Feathering
motion
Lead-lag motion
:한 축을 중심으로
면이 회전하는 것
:몸통을 축으로 하여
면이 부채를 부치듯
움직이는 것
로봇에 착안해 로봇의 저속 직진,
직진 보조, 저속 후진, 저속회전
보조, 승․하강 기능 수행

상어의 형태
머리, 몸통, 꼬리, 지느러미
=>총 네 부분으로 구분
방추형 체형
지느러미 발달
(등, 가슴, 배, 꼬리)

몸 표면이 방패비늘

골격이 모두 연골로

상어의 로렌치니 기관
상어 머리 앞쪽에 전기를
감지하는 기관
:
주변에 흐르는 미세한 전류를 감지 가능

먹이인 물개나 큰 물고기들에게서
나오는 전기 감지할 수 있어서
정확한 공격 가능

상어의 내부 구조
그림 - 간
부레 대신 지방질의 대단히 큰 간

체내에서 가장 큰 장기

(내장 전체의 약 25퍼센트 차지)

지방은 물보다 가볍기 때문에

지방질의 간은 상어가 물에서 뜨는 것 도와줌

그림 - 장
짧고 직선형이며 내부에 나선형의 회전판

전체의 구조는 커다란 나사 막으로 감싼 모양

영양분 흡수면적 증대

소화한 먹이가 장 통과하는 시간
연장시켜 영양분 흡수율을 높임

응용 - 전신 수영복
speedo 사에서
상어의 비늘 원리
이용하여 개발

2008 베이징 올림픽 전
한 수영복 제조사와
미국 항공우주국이
함께 만든 수영복은
그동안 무려 100개가
넘는 신기록 쏟아냄
BUT 상어 비늘의
우수성 입증사례

응용 - Cathy Pacific 사의



3M 사에서
상어 비늘
처럼
돌기가 있는 필름을 모방

비행기 날개
에 적용

비행 시 공기 저항을
줄이는 방법

리블렛 필름
최초로 그 필름을
적용한 항공사는
Cathy Pacific

리블렛 효과
고래
: 포유강 고래목에 속하는 바다에 사는 젖먹이 동물

대부분 몸길이에 따라 고래와 돌고래로 나뉨
수염을 사용하는 종과 이빨을 사용하는 종으로 나뉨
육지동물이 수중동물로 잘 진화한 경우
고래의 특징
체열 유지위해
털이 변형 -> 매끈한 피부
뒷다리 퇴화로
흔적만 남음
피부에 지방층 발달
수중생활
위해 청각발달
몸체는 유영에
적합한 유선형으로 변화

몸체 매우 큼
돌기가 난 가슴 지느러미로
물속을 매우 빠르고 자유롭게 이동
BUT
혹등고래의 가슴 지느러미 원리
등 지느러미에
있는 혹 때문에
붙여진 이름

가슴지느러미의
큰 돌기들이
유체의 흐름 교란

지느러미
표면에
소용돌이 생김

소용돌이가
물이 지느러미에
붙어 흐르도록
눌러줌

지느러미에 가해지는
유체압력 증가해
압력 커지고
거대한 몸집
날렵하게 움직임 가능

응용 - 항공기 와류발생기
: 비행기가 잘 떠오를 수 있도록 도와주는
날개에 한 줄로 솟아 있는 아주 작은 판

어떤 중심 주위로
수많은 물질입자들이
회전하는 운동
와류
비행기 날개

위로 볼록한 모양

아랫면보다 윗면에서 공기 더 빨리 흐름

그래서 윗면의 압력 줄어들어 양력 생김

날개가 미끈하면

윗면으로 흐르는 공기가
날개 끝까지 흐르지 못하고
도중에 흩어져 버림

날개에 공기의 흐름을 막는 물체

BUT
즉 와류발생기가 있다면
양력 감소, 비행기에
쓰이는 연료 증가

소용돌이가 발생

날개 위로 흐르는 공기를
천천히 흩어지게 함

위로 떠오르는 힘 증가
공기의 저항 줄임

비행기가 잘 떠오를 수 있도록 도움

응용 - 풍력 터빈
캐나다 생체모방공학자 프랭크 피시

혹등고래
지느러미
에서 착안

풍력발전기의 회전날개에
요철을 더해 한쪽 날이
톱처럼 생긴 터빈 날개

이전의 풍력발전기보다
두 배의 회전 속도

해파리
방사대칭형인 몸
성체의 몸 94~98%가 물
입이 들어 있는 짧은 관
종의 추처럼 달려 있음

수중생활 하는
무척추동물의 총칭
다른 돌기들은
몸의 가장자리에 매달려
아래쪽으로 늘어짐
해파리의 특징
방어를 하거나, 먹이를 구할 때 사용되는 촉수가 있음
촉수 표면에 있는 자사포라는 독침에서 독을 내뿜음
작은 류부터
2m 이상까지
종이 다양함
해파리를 이루는 두 세포층 사이의 체벽 지탱하는
일종의 골격역할, 부력유지 물질들이 있음
해파리의 수영
수축과정
이완과정
휴식과정
근육 이용
수축과정 동안
해파리 근육에
저장된 탄성에너지
이용하여 진행
해파리의 추진 방법
제트 추진
노 젓기 추진
응용 - 녹색 형광 단백질(GFP)
미 보스턴 대학
해양생물연구소
시모무라 교수가 발견
해파리에게서 얻을 수 있음
생명과학 연구에서의
필수도구
녹색 형광 단백질의 장점
해부할 필요 없이 시간 흐르면서
암이 얼마나 커지고 어디로 뻗어 가는지
자외선이나 청색 빛 비추면 눈으로 확인 가능
암을 연구하는 과학자
암 일으키는 특정 단백질 유전자에
형광 단백질
넣어 실험용 생물체의 세포에 주입
약물용 단백질을 연구하는 과학자
자외선 비추어 제대로
들어갔는지
눈으로 확인 가능
연구 대상 단백질 유전자에
녹색 형광 단백질
넣은 후 쥐나
돼지 같은 동물에 삽입
응용 - 해파리 로봇
전남대학교 오일권
교수 연구팀이 만듬
전기활성고분자(EAP)의 발전은
해파리 같이 곡선형 움직임 가능하게 함
결 론
오락용 생체모방형 로봇, 마이크로와 나노 로봇,
생체의학용 로봇 등에 응용할 수 있을 것으로 기대
당연하다고 생각했던것들에
우리가 생각지도 못했던
역학 원리들이 포함되어 있고,
이런 원리와 기술들이
앞으로 우리의 미래에는
어떻게 적용되어 나타날지 궁금함
참고문헌
http://kr.top1walls.com/wallpaper/1742550-%EC%82%B0%ED%98%B8-%EB%AC%BC%EA%B3%A0%EA%B8%B0-%EC%83%81%EC%96%B4-%EC%88%98%EC%A4%91
주제선정이유의 상어사진
http://www.oceanlife.or.kr/jsp/01eclolgy/feature/feature.jsp 물고기사진
http://blog.naver.com/visipongsoda/220068319573 물고기종류 사진
http://www.re-rock.com/1445 지느러미사진
http://blog.daum.net/_blog/BlogTypeView.do?blogid=04aTM&articleno=400&categoryId=6&regdt=20100401031758 아가미
http://yonggulee.egloos.com/m/3298222 비늘
http://www.chunjae.co.kr/all/homework/homework_view.asp?seq=950&PageNo=40&flag= 부레
http://pixabay.com/ko/%EB%AC%BC%EA%B3%A0%EA%B8%B0-%EB%AC%B4%EB%A6%AC-%ED%95%A8%EA%BB%98-%EA%B8%B0%ED%98%B8-%ED%97%A4%EC%97%84-%EA%B7%B8%EB%9E%98%ED%94%BD-%ED%99%94%EB%A0%A4%ED%95%9C-%EC%B6%94%EC%83%81-388346/ 물고기
http://gallery24.co.kr/shop/detail.html?cateno=&gid=6177 부채
http://blog.naver.com/morality/20037642551 니모
http://www.etnews.com/201005190254 물고기로봇
http://blog.daum.net/kmozzart/1205 지느러미
http://www.yeonsanlib.kr/design20/sub.php?mcode=s6&mcode2=2&mcode3=2 상어로렌
http://www.yeonsanlib.kr/design20/sub.php?mcode=s6&mcode2=2&mcode3=2 상어
http://pngimg.com/upload/plane_PNG5254.png 비행기
http://wol.jw.org/ko/wol/d/r8/lp-ko/102013210 혹등고래 가슴지느러미
http://pngimg.com/download/5246 비행기
http://cluster1.cafe.daum.net/_c21_/bbs_search_read?grpid=1La65&fldid=ABzO&datanum=81&contentval=&docid=1La65%7CABzO%7C81%7C20120615043501&q=%B9%DF%BB%FD%B1%E2 와류발생기
http://pixabay.com/ko/%EA%B0%9C%EC%9A%94-%ED%99%98%EA%B0%81-%EC%86%8C%EC%9A%A9%EB%8F%8C%EC%9D%B4-160852/ 소용돌이
http://srill_1945.blog.me/150030200376 터빈
http://sedent21.rssing.com/chan-11693738/all_p10.html 해파리
http://www.pd4pic.com/jellyfish-fish-tentacles-umbrella-like-manofwar.html 해파리
http://www.hjing.co.kr/flash/%C0%CC%B9%CC%C1%F6/%bf%f8%c7%fc%b9%b0%b9%e6%bf%ef.png 물방울
http://archive.beepmode.co.uk/thebigswim/140403/updates/ 해파리
http://news.busan.go.kr/sub/search_01_view.jsp?arti_sno=201312261124390001 노젓기
http://lem.ch.unito.it/didattica/infochimica/2008_GFP/struttura.html 형광물질
http://scent.ndsl.kr/sctColDetail.do?seq=3756 말풍선
http://scentkisti.tistory.com/category/%EA%B3%BC%ED%95%99%ED%96%A5%EA%B8%B0%20%EA%B8%B0%EC%82%AC?page=70 해파리
http://www.yeonsanlib.kr/design20/sub.php?mcode=s6&mcode2=2&mcode3=2 상어
http://www.sportnest.kr/73 상어설명
http://isleoftune.wikia.com/wiki/File:Image-Q%26A.png Q&A그림
http://sbsfune.sbs.co.kr/news/news_content.jsp?article_id=E10004900152
http://flow.kaist.ac.kr/bbs/download2.php?bo_table=pro_domestic&wr_id=132&no=0

Q & A
상어의 리블렛
: 상어의 피부 표면 돌기 구조
리블렛 구조로 되어 있는 피부는
주변과의 마찰력을 줄여주며,
보다 빠른 속도로 나아갈 수 있게 도와줌

물과의 마찰을 줄이고
부력까지 높여주어
기록단축 주도
스포츠의학과
가슴 지느러미 가장 발달
(부레가 없기 때문)
'기술적 도핑'이란
말까지 등장, 2009년
FINA(국제수영연맹)에서
이 수영복 퇴출
<물고기>
(1)손명환, 한철희 (2007.9). 수중동물의 헤엄침 역학. 『韓國軍事科學技術學會誌』.
(2)정창현, 이상효, 김경식, 차유성, 류영선 (2009.9). 물고기를 모방한 수중로봇의 옆 지느러미 메카니즘 설계. 『제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집』.
(3)Naomi Kato, Motonori Furushima (1996) "Pectoral Fin Model for Maneuver of Underwater Vehicles" Proc. 1996 IEEE AUV symp. New York:IEEE Press.
(4)부레, NAVER 지식백과, 2015. 04. 16.,
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1103720&cid=40942&categoryId=32319
(5)아가미, wikipedia, 2015. 04. 15.,
http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%95%84%EA%B0%80%EB%AF%B8
(6)어류, NAVER 지식백과, 2015. 04. 15.,
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1023097&cid=47316&categoryId=47

<상어>
(1) 부산광역시립 연산도서관, 상어의 외부 구조
http://www.yeonsanlib.kr/design20/sub.php?mcode=s6&mcode2=2&mcode3=2
(2) 상어, widipedia, 2014. 12. 14.,
http://ko.wikipedia.org/wiki/%EC%83%81%EC%96%B4
(3) 부산광역시립 연산도서관, 상어의 내장 기관, 재인용
http://www.yeonsanlib.kr/design20/sub.php?mcode=s6&mcode2=2&mcode3=2
(4) 리블렛, wieipedia. 2010. 4. 28.,
http://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%A6%AC%EB%B8%94%EB%A0%9B
(5) 세계 수영대회서 '첨단 수영복' 퇴출. MBC. 전준홍. (2009. 5. 20)
(6) 황선호, 서민호, 한국과학기술정보연구원. 2005. 생체모방산업의 창출 동향.


<고래>
( 고래, NAVER 지식백과. (한국민족문화대백과, 한국학중앙연구원)
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=567303&cid=46639&categoryId=46639
( 작자 미상, 고래의 진화, 레포드 월드.
http://www.reportworld.co.kr/report/data/view.html?no=619597&agentid=naver
(3) [KISTI의 과학향기] 과학의 혁신, 자연속에 답이 있다. (2013. 05. 22). 김택원. 국제신문.
(4) 혹등고래, NAVER 지식백과. (두산백과)
http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1154553&cid=40942&categoryId=32625
( 흑등고래 가슴 지느러미의 원리. (2013, 07, 25). 서민오. 이그린News.
http://www.egreen-news.com/sub_read.html?uid=108
(6) 하늘을 나는 고래! 고래를 보면 항공기술이 보인다! (2009. 12. 31). 이영완. 조선일보
http://www.kari.re.kr/sub030401/articles/do_print/tableid/sense_normal/page/13/id/270

<해파리>
( 해파리, wikipedia. 2015. 1. 31.,
http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%B4%ED%8C%8C%EB%A6%AC
( 이태원. 현산어보를 찾아서2. 2002. p.358.
( 자포동물, wikipedia. 2015. 1. 31.,
http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%B4%ED%8C%8C%EB%A6%AC
(엔하위키 미러, 해파리, 2015. 04. 05.,
https://mirror.enha.kr/wiki/%ED%95%B4%ED%8C%8C%EB%A6%AC
(이태원. 현산어보를 찾아서2. 2002. p.358. 재인용
(위키백과, 자포동물. 재인용.
(7) 박성군, 장정봉, 성형진. 2013. 헤엄치는 해파리의 3차원 유동해석.
(8) 녹색 형광 단백질이 노벨상감인 이유. (2008. 10. 13). 박미용. ScienceTimes
http://www.sciencetimes.co.kr/?news=%EB%85%B9%EC%83%89-%ED%98%95%EA%B4%91-%EB%8B%A8%EB%B0%B1%EC%A7%88%EC%9D%B4-%EB%85%B8%EB%B2%A8%EC%83%81%EA%B0%90%EC%9D%B8-%EC%9D%B4%EC%9C%A0
(9) 전남대 오일권 교수팀 해파리 로봇 개발. (2009. 07. 02). 송형일. 연합뉴스
http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2009/07/02/0200000000AKR20090702189100054.HTML

<그림 출처>
[그림1] 손명환, 한철희 (2007.9). 수중동물의 헤엄침 역학. 『韓國軍事科學技術學會誌』.
[그림2] [그림3] 정창현, 이상효, 김경식, 차유성, 류영선 (2009.9). 물고기를 모방한 수중로봇의 옆 지느러미 메카니즘 설계. 『제어로봇시스템학회 국내학술대회 논문집』.
[그림4] locomotion of fish, wikipedia, 2015. 02. 28
http://en.wikipedia.org/wiki/Fish_locomotion
[그림5] [그림6] 부산광역시립 연산도서관
http://www.yeonsanlib.kr/design20/sub.php?mcode=s6&mcode2=2&mcode3=2
[그림7] 수영 황제 펠프스도 궁금해 하는 전신수영복의 비밀. 이용구. (2009. 09. 01). 스포츠둥지. http://www.sportnest.kr/73
[그림8] http://www.insidespeedo.com/our-heritage
[그림9] 네이버 블로그. 고래와 상어를 모방한 첨단 유체 역학. (2007. 06. 19)
http://prologue.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=sandtimer&logNo=60038945640&parentCategoryNo=&categoryNo=19&viewDate=&isShowPopularPosts=false&from=postView
[그림10] http://phys.org/news/2012-09-scientists-purpose-vortex.html
[그림11] http://srill_1945.blog.me/150030200376
[그림12] 해파리, wikipedia. 2015. 1. 31.,
http://ko.wikipedia.org/wiki/%ED%95%B4%ED%8C%8C%EB%A6%AC
[그림13] 전남대 오일권 교수팀 해파리 로봇 개발. (2009. 07. 02). 송형일. 연합뉴스
http://www.yonhapnews.co.kr/bulletin/2009/07/02/0200000000AKR20090702189100054.HTML

수축, 이완
모두 X
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