[Science Cookie] 오리가 얼음물 위에 오래 있을 수 있는 이유는? - '찻잔 속 물리학’

 

 

 

벌써 4월이 끝나가고 있네요.

계절상 봄이 한창인데도

아직까지도 밖에 날씨가 쌀쌀한 것 같아요.

 

요즘 같은 환절기에는 낮과 밤의 온도 차이가 크게 나기 때문에

항상 체온을 일정하게 유지해야 하는 우리 몸은

급격한 변화에 대응하기 위해서

생체에너지인 ATP를 지속적으로 이용하게 되는데요.

이렇게 되면, 우리 몸 안에 있는 면역체계가

약간은 그 능력이 저하되는 그런 특징을 가지고 있습니다.

 

대부분의 질병은 손을 통해서 우리 몸 안으로 들어오기 때문에

이럴 때일수록 손을 꼭꼭 씻는 습관, 잊지 마세요.

 

 

그런데 여러분 궁금한 것이 있습니다.

호수나 강에 가면 항상 헤엄치며 노는 오리들은

얼음장같이 차가운 물 속에 있는데도

어떻게 저렇게 편안하게 있을 수 있는 걸까요?

 

만약, 지금 이 날씨에 저 오리들처럼 맨발로 물속에서 서 있다고 상상해보세요.

1시간은 커녕, 10분도 버티기 힘들 텐데,

어떻게 오리들은 하루 종일 물속에 있어도 멀쩡한 것처럼 보일까요?

 

 

왜 오리는 차가운 얼음 빙판을 걸어도

이렇게 차가운 물 속에 들어가 있어도

체온을 쉽게 잃지 않고 유지 할 수 있는 걸까요?

혹시, 오리의 다리에 뭔가 비밀이 있어서 체온을 유지할 수 있는 건 아닐까요?

 

오늘은 바로 인간의 그것과는 좀 다른

오리의 발이 체온을 유지할 수 있었던, 열 손실을 방지할 수 있었던 비결을

과학쿠키와 함께 들여다보도록 하겠습니다.

 

 

오리의 발이 어떻게 열 손실을 줄일 수 있게 되었는지 알아보기에 앞서

열이라고 하는 것이 무엇이며,

어떻게 전달되는지를 간략하게만 알아보도록 할까요?

 

열이란

물체가 가지고 있는 여러 에너지들 중 하나로서

물체를 이루고 있는 아주 작은 구성 성분

즉, 분자들의 떨림이 가지고 있는 에너지를 의미합니다.

 

분자들의 떨림이 크면 클수록, 열에너지가 높은 것을,

분자들의 떨림이 작으면 작을수록, 열에너지가 낮은 것을 의미하죠.

 

이러한 분자들의 떨림이 일상생활 속에서 우리가 체감할 수 있는 형태로 나타나는 것이 바로 Temperature, 온도이며,

열 에너지가 많으면 많을수록 높은 온도를

적으면 적을수록 낮은 온도를 가지게 됩니다.

 

그렇기 때문에 자연적으로,

높은 온도를 가진 물체가 낮은 온도를 가진 물체와 만나게 되면

높은 온도의 물체의 분자가 가지는 떨림이

낮은 온도의 물체의 분자가 가지는 떨림으로 조금씩 전달되게 되는데요

이러한 열에너지의 전달은 두 물체를 이루는 분자의 떨림이 같아지는 상태

열적 평형 상태에 도달할 때까지 계속해서 진행된답니다.

 

이처럼 물체와 물체가 접촉해서 이 접촉면을 따라서

서로의 열을 전달하고 주고받는

이러한 과정을 물리학에서는 열 전도라고 부릅니다.

이러한 열전도는 아래의 공식을 따라서 진행되죠.

 

공식을 통해 알 수 있듯, 맞닿은 물체 사이의 면적이 넓으면 넓을수록

온도 차이가 크면 클수록

열이 빠르게 전도된다는 특징을 지니고 있죠.

이는 바꿔말하면, 접촉한 물체와의 온도차가 크면 클수록

열 손실이 크다는 의미로 해석할 수 있다는 뜻이겠죠?

 

음, 근데 뭔가 좀 이상한 것 같아요.

분명히 사람의 체온은 36.5도이고, 오리의 체온은 약 40도 정도 되는데

그렇다면 오리가 물에 들어갔을 때가

사람보다 훨씬 더 온도차가 크게 나서 더 빨리 열이 전달돼야 할 텐데,

어째서 오리의 다리는

사람보다 훨씬 더 열 손실을 방지할 수 있는 구조를 가지고 있었던 걸까요?

비밀은 바로 오리 발에 탑재된

어떤 시스템 때문에 그렇습니다.

 

오리가 열심히 발장구를 치는 동안

평균 40도의 따뜻한 혈액이 오리발로 공급됩니다.

그러나, 놀랍게도 오리의 발 구조는

공급되는 동맥을 정맥이 둘러싸고 있어서

차갑게 식어 심장으로 돌아가는 정맥혈과

따뜻하게 데워져 공급되는 동맥혈이

서로 접촉하게 되는 구조를 가지고 있습니다.

 

이러한 구조를 생물학에서는 '역류 열 교환 구조'라고 부르며

거슬로 올라가는 정맥혈이 동맥혈과 열 교환을 활발하게 할 수 있게끔

가깝게 밀착되어 있는 구조를 뜻하죠.

 

여기에서 재밌는 일이 일어나게 되는데요

처음에 공급된 따뜻한 피는 오리의 발을 타고 들어가면서

차가운 호수의 물을 만나게 됩니다.

 

이때, 점점 열 전도에 의해 열을 빼앗기게 되는 피는

정맥을 통해 다시 심장으로 이동하게 되는데요.

하지만 아무리 열을 빼앗겼다고 할 지라도 이 정맥혈은

호수만큼 얼음장 같은 온도로 내려가지는 않게 됩니다.

 

이렇게 되면, 다음에 공급되는 따뜻한 동맥혈이 심장으로 돌아오는 정맥혈에 의해

그보다 훨씬 더 차가운 호수의 물로부터 열 손실을 막아주게 되어

덕분에 오리는 차가운 얼음 위를 걷더라도, 얼음물 위에 둥둥 떠다니더라도

체온의 손실을 최소화 할 수 있기 때문에

여유롭고 우아하게 걸어다닐 수 있는 것이랍니다.

 

그런데, 여러분

내친김에 하나 더 궁금한 게 있어요.

주방에서 사용하는 금속 주방 기구를 보면 알 수 있듯이

왜 금속은 다른 물질보다 열을 훨씬 더 빠르게 전달하는 걸까요?

분명 열은 진동의 전달이라고 했는데

금속 안에는 어떤 비밀이 있어서 이 진동을 더 빨리 전달할 수 있는 걸까요?

 

그리고 태양은 지구와 엄청나게 멀리 떨어져 있는 우주공간 저편에 있는데

어떻게 지구에게 열을 전달해줄 수 있는 걸까요?

태양이 지구로 열을 전달 할 때, 어떤 매개체를 통해 열을 전달하는 걸까요?

 

스스로 고민해 보고 답을 찾으려고 하는 노력 또한

과학쿠키를 즐기는 하나의 재미가 아닐까요?

감사합니다 과학쿠키 였습니다.