[논문]수중동물의 헤엄침 성능과 형태학적 적응

손명환; 이승희; 한철희

수중동물의 헤엄침 성능과 형태학적 적응
Swimming Performance of Aquatic-animals and Their Morphological Adaptation 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.12 no.6, 2009년, pp.796 - 807

손명환 (포항공과대학교 기계공학과) , 이승희 (한양대학교 기계공학과) , 한철희 (국립 충주대학교 항공.기계설계학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The swimming abilities of aquatic-animals are of vital importance to their ecology. The relationship between outer shapes and the swimming ability has been focused just a few centuries ago by engineering community. Present paper surveys the recent studies of the aquatic-animals' swimming performance in the morphological point of view. Also an experimental study is performed in order to investigate the effect of the tail fin's shape on the propulsive performance. The result showed that the morphological study provided valuable data for exploring the secrets of the aquatic-animals' swimming performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

Fish는 꼬리의 beating frequency, beating amplitude, pitch angle, feathering angle이 헤엄침 속도에 미치는 자료를 산출하였다. 또한 헤엄침 속도와 추진 동력, 헤엄침 속도와 추진효율, pitch angle과 추진효율과의 관계에 대한 자료도 제시하였다. Fig.
따라서 수중동물의 몸체 형태와 헤엄침 성능과의 관계를 규명하는 연구는 수중동물의 헤엄침 능력에 대한 비밀을 푸는데 매우 유용한 방법 중 하나이다. 본 논문은 이와 같은 관점에서 수중동물의 헤엄침 성능과 형태적인 특징과의 관계를 찾는 연구에 대한 자료를 제시하고자 한다.
따라서 수중동물의 몸체 형태와 헤엄침 성능과의 관계를 규명하는 연구는 수중동물의 헤엄침 능력에 대한 비밀을 푸는데 매우 유용한 방법 중 하나이다. 이와 같은 관점에서 수중동물의 헤엄침 성능과 형태적인 특징과의 관계를 찾는 연구를 시도하였다.

제안 방법

사용한 PIV 측정 장치는 최대 pulse energy가 200mJ이며 반복 율(repetition rate) 10Hz인 Nd: YAG 레이저(Vlite-200), 12-bit 디지털 CCD 카메라(2048×2048 pixels), LaVision사에서 개발한 측정자료 획득 및 처리 A/D 보드와 후속처리를 위한 DaVis Flow Master 소프트웨어 등을 장착한 PC 시스템 등으로 구성되어 있다. Aerosol Generator를 이용하여 DEHS 입자들을 측정 전에 살포해 놓은 후 PIV 측정 중에는 Generator를 꺼놓은 상태에서 실험을 수행하였다. PIV 시스템의 정보 획득 율(sampling frequency)은 15Hz이며, 제시된 PIV 결과는 총 30회의 PIV 측정 자료에 대한 평균값이다.
7a). 각각의 서보모터는 C++ 언어를 사용하여 제어되도록 하였으며, 6축의 Force/Torque 센서를 동적시험모델을 지지하는 지지대에 부착하여 DAQ board로부터 원하는 자료를 획득할 수 있도록 계측시스템을 구성하였다. 이때 동일한 꼬리지느러미 면적을 가지도록 설계하였다.
먼저 수중동물의 형태특성(body shape, fin shape and arrangement)과 운동특성(cruising performance, maneuvering performance)간의 상관관계에 중점을 두고 문헌연구를 수행하였다. 또한 물고기 형태 모델을 사용한 수조실험과 풍동 실험(wind tunnel experiment)을 통하여 수중동물의 굽이침 운동(undulating motion)과 관련한 유체력 발생과 유동현상을 연구하였다. 수조실험에서는 굽이침 운동을 하는 고등어 형태의 모델에서 발생하는 추력을 측정하였으며, 풍동실험에서는 PIV(Particle Image Velocimetry)에 의한 후류의 속도 벡터와 와도(vorticity)를 측정하였다.
먼저 수중동물의 형태특성(body shape, fin shape and arrangement)과 운동특성(cruising performance, maneuvering performance)간의 상관관계에 중점을 두고 문헌연구를 수행하였다. 또한 물고기 형태 모델을 사용한 수조실험과 풍동 실험(wind tunnel experiment)을 통하여 수중동물의 굽이침 운동(undulating motion)과 관련한 유체력 발생과 유동현상을 연구하였다.
7과 같은 고등어(Mackerel) 모사 로봇을 제작하여 수조실험을 수행했다. 본 연구에서는 3개의 서보모터를 사용하여 고등어 꼬리지느러미의 굽이침 운동(undulating motion)을 3개의 링크구조로 모사를 했다(Fig. 7a). 각각의 서보모터는 C++ 언어를 사용하여 제어되도록 하였으며, 6축의 Force/Torque 센서를 동적시험모델을 지지하는 지지대에 부착하여 DAQ board로부터 원하는 자료를 획득할 수 있도록 계측시스템을 구성하였다.
한편 풍동은 수중 운행체의 실험 연구에 통상적으로 사용되는 towing tank에 비해 수중 운행체의 실제 레이놀즈수에 매우 근접하는 레이놀즈수를 만들 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 수조실험을 보완하기 위하여 풍동 실험을 통한 PIV 후류 해석 실험을 수행하였다. 사용한 풍동은 폭 1.
또한 물고기 형태 모델을 사용한 수조실험과 풍동 실험(wind tunnel experiment)을 통하여 수중동물의 굽이침 운동(undulating motion)과 관련한 유체력 발생과 유동현상을 연구하였다. 수조실험에서는 굽이침 운동을 하는 고등어 형태의 모델에서 발생하는 추력을 측정하였으며, 풍동실험에서는 PIV(Particle Image Velocimetry)에 의한 후류의 속도 벡터와 와도(vorticity)를 측정하였다. 이때 모델의 형상 변화는 수중동물의 운동기능을 제공하는 몸체와 지느러미 중 운동성능이 다른 종류에 따라 확연하게 달라지는 꼬리지느러미(caudal fin)의 형태 변화를 대상으로 하였다.
대상으로 한 고래 류는 beluga whale(Delphinapterus leucas), killer whale(Orcinus orca), false killer whale(Pseudorca crassidens) bottlenose dolphin(Tursiops truncatus)이며, 헤엄침 능력은 Orlando의 Sea World 수족관에서 측정하였다. 헤엄침은 비디오를 사용하여 순항속도, 꼬리(fluke)의 beating frequency와 amplitude를 측정하였고, 몸체 형태 변수는 몸무게, 몸체 길이 및 지름, 날씬비(지름/길이), 꼬리의 스팬 및 코드 길이, 꼬리의 평면적, 꼬리의 가로세로비와 후퇴각 등이다. Fish는 꼬리의 beating frequency, beating amplitude, pitch angle, feathering angle이 헤엄침 속도에 미치는 자료를 산출하였다.

대상 데이터

는 다양한 형상의 생체 고래 류를 대상으로 이들의 헤엄침 능력과 형태의 관계를 찾는 연구를 수행하였다. 대상으로 한 고래 류는 beluga whale(Delphinapterus leucas), killer whale(Orcinus orca), false killer whale(Pseudorca crassidens) bottlenose dolphin(Tursiops truncatus)이며, 헤엄침 능력은 Orlando의 Sea World 수족관에서 측정하였다. 헤엄침은 비디오를 사용하여 순항속도, 꼬리(fluke)의 beating frequency와 amplitude를 측정하였고, 몸체 형태 변수는 몸무게, 몸체 길이 및 지름, 날씬비(지름/길이), 꼬리의 스팬 및 코드 길이, 꼬리의 평면적, 꼬리의 가로세로비와 후퇴각 등이다.
1m의 측정부 크기를 가지고 있으며, 작동 범위의 풍속은 3m/sec에서 50m/sec이다. 먼저 실험 모델은 운동 성능이 가장 대비가 되는 두 가지 형상인 부채(fan) 형태(shape A)와 초생 달(crescent moon) 형태(shape B)의 꼬리지느러미이다. 부채 형태의 꼬리지느러미는 물살이 빠른 환경에서 생활하는 물고기들이 가지는 형상으로 가속 성능이 우수하다.
사용한 PIV 측정 장치는 최대 pulse energy가 200mJ이며 반복 율(repetition rate) 10Hz인 Nd: YAG 레이저(Vlite-200), 12-bit 디지털 CCD 카메라(2048×2048 pixels), LaVision사에서 개발한 측정자료 획득 및 처리 A/D 보드와 후속처리를 위한 DaVis Flow Master 소프트웨어 등을 장착한 PC 시스템 등으로 구성되어 있다.
10은 이와 같은 두 가지 실험 모델의 기하학적 제원과 사진이다. 실험 모델은 알루미늄 판으로 제작하였으며, 검은 색 페인트를 도포하여 PIV 측정시에 산란광에 의한 노이즈 시그널이 최소화 되도록 하였다. 이 두 모델은 평면적은 같으며, 가로세로비(aspect ratio = 꼬리지느러미의 폭²/꼬리지느러미의 면적)는 서로 다르다(Fig.
수조실험에서는 굽이침 운동을 하는 고등어 형태의 모델에서 발생하는 추력을 측정하였으며, 풍동실험에서는 PIV(Particle Image Velocimetry)에 의한 후류의 속도 벡터와 와도(vorticity)를 측정하였다. 이때 모델의 형상 변화는 수중동물의 운동기능을 제공하는 몸체와 지느러미 중 운동성능이 다른 종류에 따라 확연하게 달라지는 꼬리지느러미(caudal fin)의 형태 변화를 대상으로 하였다. 연구결과는 형태학적 관점에서의 연구가 수중 동물의 헤엄침 성능의 비밀을 밝히는데 매우 유용한 자료를 제시함을 보여주었다.
측정단면은 변형각도 0도에서 좌우(z축 방향)로 20mm이고 자유류 방향으로 40mm인 40mm×40mm 크기의 단면이다.
Upstroke는 변형각의 절대 값이 커지는 것을, downstroke는 변형각의 절대 값이 작아지는 것으로 정의하였다. 측정단면은 중앙에서 75% 떨어진 단면이다.

데이터처리

Aerosol Generator를 이용하여 DEHS 입자들을 측정 전에 살포해 놓은 후 PIV 측정 중에는 Generator를 꺼놓은 상태에서 실험을 수행하였다. PIV 시스템의 정보 획득 율(sampling frequency)은 15Hz이며, 제시된 PIV 결과는 총 30회의 PIV 측정 자료에 대한 평균값이다.

성능/효과

은 운동능력 특성에 따른 물고기를 3개의 특별성능 그룹과 대부분의 일반 성능 그룹으로 구분하였는데, 일반 성능 그룹은 salmonids, surfperches, sculpins, bluegill 등과 같이 모든 분야의 운동성능을 어느 정도까지 골고루 갖고 있는 물고기로 분류하였다. 3개의 특별성능이 뛰어난 그룹은 가속(acceleration)이 뛰어난 그룹(pikes, barracudas, pipefishes 등), 순항(cruise)이 뛰어난 그룹(mackerel and tuna, pelagic sharks 등), 기동(maneuver)이 뛰어난 그룹(butterflyfish, coral reef and weedy-river fishes 등)이다. Videler^[4]는 이를 보다 세분하여 다음과 같은 11개의 특별그룹을 제시하고 있다.
이때 모델의 형상 변화는 수중동물의 운동기능을 제공하는 몸체와 지느러미 중 운동성능이 다른 종류에 따라 확연하게 달라지는 꼬리지느러미(caudal fin)의 형태 변화를 대상으로 하였다. 연구결과는 형태학적 관점에서의 연구가 수중 동물의 헤엄침 성능의 비밀을 밝히는데 매우 유용한 자료를 제시함을 보여주었다.
Webb의 연구결과는 fin ray를 절단하였을 때 빠른 출발 능력(fast-start performance)이 나빠지는 정도는 pelvic rays, dorsal fin, anal fin, dorsal lobe of caudal fin and ventral lobes of caudal fin, ventral lobe of caudal fin and anal fin, dorsal and ventral lobes of caudal fin, both caudal-fin lobes anal fin의 순서임을 보여주었다. 이와 같은 연구 결과에 기초하여 물고기의 빠른 출발 성능(fast start performance)과 순항(cruise)이나 돌진(sprint)과 같은 정상 성능(steady performance)을 위한 횡 방향 몸체 형상(lateral body profile)은 서로 배타적(mutually exclusive)이라고 결론지었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 동물의 헤엄침 능력을 연구하기 위한 중요한 방법은 무엇이 있는가?	동물은 살아가는 환경에 대한 적응능력을 갖는 특징이 있으므로, 수중동물 또한 수십만 혹은 수백만 년을 살아오면서 가장 적합한 몸의 형태와 운동방식을 갖도록 하였을 것으로 자연학자들은 보고 있다. 따라서 수중동물의 몸체 형태와 헤엄침 성능과의 관계를 규명하는 연구는 수중동물의 헤엄침 능력에 대한 비밀을 푸는데 매우 유용한 방법 중 하나이다. 본 논문은 이와 같은 관점에서 수중동물의 헤엄침 성능과 형태적인 특징과의 관계를 찾는 연구에 대한 자료를 제시하고자 한다.
	Webb이 제시한 운동능력 특성에 따른 물고기는 어떻게 구별 되는가?	Webb[3]은 운동능력 특성에 따른 물고기를 3개의 특별성능 그룹과 대부분의 일반 성능 그룹으로 구분하였는데, 일반 성능 그룹은 salmonids, surfperches, sculpins, bluegill 등과 같이 모든 분야의 운동성능을 어느 정도까지 골고루 갖고 있는 물고기로 분류하였다. 3개의 특별성능이 뛰어난 그룹은 가속(acceleration)이 뛰어난 그룹(pikes, barracudas, pipefishes 등), 순항(cruise)이 뛰어난 그룹(mackerel and tuna, pelagic sharks 등), 기동(maneuver)이 뛰어난 그룹(butterflyfish, coral reef and weedy-river fishes 등)이다. Videler[4]는 이를 보다 세분하여 다음과 같은 11개의 특별그룹을 제시하고 있다.
	수중동물의 헤엄침 능력이 생태에 가장 적합하게 적응되었다고 추론 할 수 있는 까닭은 무엇인가?	순항속도, 순간기동능력 등과 같은 수중동물의 헤엄침 성능은 이들의 먹이 획득 방법, 적으로부터의 생존, 회유(migration) 등과 같은 생태의 모든 면에 영향을 미치는 요소이다. 따라서 수중동물의 몸체 형태와 구조는 이들이 살아가는 생태에 가장 적합한 헤엄침 능력을 가질 수 있도록 적응(adaptation)되어졌다고 추론할 수 있다.

참고문헌 (12)

손 명환, 한 철희, '수중동물의 헤엄침 역학,' 한국군사과학기술학회지, 제10권 제3호, pp. 189-199, 2007

원문보기 상세보기
Azuma, A., The Biokinetics of Flying and Swimming, 2nd ed., AIAA Education Series, 2006
Webb, P. W., 'Form and Function in Fish Swimming', Scient. Am. Vol. 251, pp. 58-68, 1984
Videler, J. J., Fish Swimming, Chapman & Hall, pp. 84-92, 1993
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Bandyopadhyay, P. R., Casano, J. M., Philips, R. B., Nedderman, W. H., and Macy, W. K., 'Low- Speed Maneuvering Hydrodynamics of Fish and Small Underwater Vehicles', J. of Fluids Engineering, Vol. 119, pp. 136-144, 1997

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Barlow, J. B., Rae, Jr. W. H., and Pope, A., Low- Speed Wind Tunnel Testing, John Wiley & Sons, 3rd ed., pp. 609-651(Chap. 15 Marine Vehicles), 1999
Watt, G. D., Nguyen, V. O., Cooper, K. R., and Tanguay, B., 'Wind Tunnel Investigations of Submarine Hydrodynamics', Canadian Aeronautical and Space Journal, Vol. 39, pp. 119-126, 1993

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Fidler, J. E., and Smith, C. A., 'Methods for Predicting Submersible Hydrodynamic Characteristics', Naval Coastal System Laboratory NCSC TM-238, Panama City Florida, July 1978

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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