핀

Fin
다른 용도는 Fin(동음이의)을 참조하십시오.
핀은 일반적으로 양력이나 추력을 제공하거나 물이나 공기에서 방향을 조정하거나 움직임을 안정시키는 기능을 제공하는 포일로 기능한다.

지느러미는 더 큰 신체나 구조에 부착된 얇은 구성요소 또는 부속물이다.지느러미는 일반적으로 양력이나 추력을 발생시키거나 물, 공기 또는 다른 유체에서 이동하는 동안 방향을 조정하거나 움직임을 안정시키는 기능을 제공하는 포일로 기능한다.핀은 또한 열 전달을 위해 표면적을 증가시키거나 장식용으로 사용된다.[1][2]

지느러미는 처음에 이동 수단으로서 물고기 위에서 진화했다.물고기 지느러미는 추력을 발생시키고 이후의 움직임을 제어하는데 사용된다.물고기, 그리고 고래류와 같은 다른 수생동물들은 가슴 지느러미와 꼬리 지느러미를 가지고 활발하게 자신을 추동하고 조종한다.그들은 수영을 할 때 등지느러미와 항문지느러미와 같은 다른 지느러미를 사용하여 안정을 얻고 그들의 동작을 다듬는다.[3][4]

고래, 익룡, 메트리오린치드, 모자사우르스, 플레시오사우르스의 꼬리에 있는 지느러미를 플러크라고 부른다.

스러스트 생성

호일 모양의 지느러미는 이동할 때 추력을 발생시키고, 지느러미를 들어올리면 물이나 공기가 움직이게 하고, 지느러미를 반대 방향으로 밀어낸다.수중 동물들은 물속에서 지느러미를 앞뒤로 움직이면서 상당한 추력을 얻는다.종종 꼬리 지느러미가 사용되지만, 몇몇 수중 동물들은 가슴 지느러미로부터 추력을 발생시킨다.[3]지느러미는 공기나 물에서 회전할 경우 추력을 발생시킬 수도 있다.터빈과 프로펠러(그리고 때로는 팬과 펌프)는 포일, 날개, 팔 또는 블레이드라고도 불리는 많은 회전 지느러미를 사용한다.프로펠러는 지느러미를 이용하여 토킹력을 측면 추력으로 변환시켜 항공기나 배를 추진시킨다.[5]터빈은 날개의 리프트를 사용하여 움직이는 가스나 물로부터 토오크와 동력을 발생시키는 역방향으로 작동한다.[6]

움직이는 핀은 추력을 제공할 수 있다.
물고기가 수직 꼬리 지느러미를 좌우로 움직이면서 추력을 얻음
고래는 수평 꼬리 지느러미를 위아래로 움직이면서 추력을 얻는다.
가오리는 큰 가슴지느러미에서 뿜어져 나온다.
선박프로펠러
컴프레서 핀(블레이드)
이 프로펠러에는 캐비테이션 손상이 명백하다.
Tony Ayling Finlets 박사의 그림은 꼬리지느러미 주위에 소용돌이가 발달하는 방식에 영향을 줄 수 있다.

캐비테이션은 고출력 적용에 문제가 될 수 있으며, 이로 인해 프로펠러나 터빈에 손상이 발생할 뿐만 아니라 소음과 전력 손실이 발생할 수 있다.[7]충동은 음압이 액체에서 거품(캐비티)을 형성하고, 그 다음 즉각적이고 격렬하게 붕괴할 때 발생한다.그것은 심각한 손상과 마모를 일으킬 수 있다.[7]공동화 손상은 돌고래와 참치와 같은 강력한 수영 해양 동물의 꼬리 지느러미에도 발생할 수 있다.공동화는 주변 수압이 상대적으로 낮은 바다 표면 근처에서 발생할 가능성이 높다.더 빨리 헤엄칠 수 있는 힘이 있다고 해도 돌고래는 꼬리에 있는 캐비테이션 거품이 무너지는 것은 너무 고통스럽기 때문에 속도를 제한해야 할 수도 있다.[8]캐비테이션은 또한 참치를 느리게 하지만 다른 이유 때문에 그렇다.돌고래와 달리, 이 물고기들은 물거품을 느끼지 못한다. 왜냐하면 그들은 신경 끝부분이 없는 뼈 지느러미를 가지고 있기 때문이다.그럼에도 불구하고, 그들은 더 빨리 수영할 수 없다. 왜냐하면 공동화 거품이 그들의 지느러미 주위에 속도를 제한하는 증기막을 만들기 때문이다.참치에서 캐비테이션 손상과 일치하는 병변이 발견됐다.[8]

스컴브리지어(tuna, 고등어, 보니토)는 특히 뛰어난 수영 실력을 지닌다.그들의 몸 뒤쪽의 여백을 따라 지느러미라고 알려진 작고 광이 없고 돌이킬 수 없는 지느러미가 한 줄로 늘어서 있다.이 지느러미의 기능에 대해 많은 추측이 있어 왔다.2000년과 2001년 나우엔과 로더에 의해 행해진 연구는 "핀렛이 꾸준한 수영 중 국소 흐름에 유체역학적으로 영향을 미친다"와 "가장 후측 핀렛은 발달하는 꼬리 소용돌이로 흐름을 유도하기 위한 것이며, 이것은 고등어의 꼬리에서 발생하는 추력을 증가시킬 수 있다"는 것을 보여주었다.[9][10][11]

물고기는 여러 개의 지느러미를 사용하기 때문에, 주어진 지느러미는 다른 지느러미와 유체역학적으로 상호작용을 할 수 있다.특히 카우달(꼬리) 지느러미의 바로 상류에 있는 지느러미는 카우달 지느러미의 흐름 역학에 직접 영향을 줄 수 있는 근위 지느러미일 수 있다.2011년 체적영상기법을 이용한 연구자들은 '물고기를 자유롭게 헤엄쳐가며 만든 최초의 순간적인 3차원 웨이크구조물 뷰'를 생성할 수 있었다.그들은 "연속적인 꼬리 박동이 소용돌이 고리의 연결된 사슬을 형성하는 결과를 가져왔다"와 "등지느러미와 항문 지느러미가 깨는 것은 거의 후속 꼬리 박동의 시간 범위 내에서, 카우달 지느러미 웨이크에 의해 급속하게 막히게 된다"[12]는 것을 발견했다.

컨트롤 모션

지느러미는 이 오르카 같은 수생동물에 의해 추력을 발생시키고 이후의 움직임을 제어하기 위해 사용된다.

일단 운동이 확립되면 운동 자체는 다른 지느러미를 사용하여 제어할 수 있다.[3][15][16]보트는 지느러미 모양의 루더로 방향(요우)을 제어하고 스태빌라이저 핀과 킬 핀으로 롤링한다.[15]비행기는 날개와 꼬리 지느러미의 모양을 바꾸는 작은 특수 지느러미로 비슷한 결과를 얻는다.[16]

움직임을 제어하는 데 특수 핀이 사용된다.
물고기, 보트, 비행기는 3도 회전 자유도를[17][18][19] 통제해야 한다.
백상어의 등지느러미에는 '배 돛대를 안정시키는 리그깅스처럼 작용하는' 피부 섬유가 들어 있으며, 상어가 롤링과 요를 조절하기 위해 더 빨리 헤엄치면서 역동적으로 굳어진다.[20]
백상아리의 까우달 지느러미
방향타가 요를 교정하다.
핀켈은 롤과 측면 드리프트를 제한한다.
선박 안정화 핀이 롤링 감소
에일러론 제어 롤
엘리베이터 제어 피치
방향타가 요를 제어한다.

안정화 지느러미는 화살과 일부 다트,[21] 그리고 일부 폭탄, 미사일, 로켓, 자주 어뢰의 후면에 플레칭으로 사용된다.[22][23]이것들은 전형적으로 평면이며 작은 날개처럼 생겼다. 비록 때때로 그리드 지느러미가 사용된다.[24]정적 지느러미는 또한 하나의 위성인 GOCE에도 사용되었다.

정적 테일 핀은 스태빌라이저로 사용된다.
화살에 플레칭
비대칭 안정화 지느러미가 이 소련 포탄 로켓에 스핀을 부여한다.
RIM-7 Sea Sparrow 미사일의 기존 "평면" 핀

조절온도

엔지니어링 핀은 열제거원이나 핀 방사기의 온도를 조절하기 위해 열전달 핀으로도 사용된다.[25][26]

핀은 온도를 조절할 수 있다.
모터바이크는 엔진을 식히기 위해 핀을 사용한다.
오일 히터가 핀으로 대류
돛새치는 등지느러미를 올려 더위를 식히거나 무리를 지어 물고기를 잡는다[28][29].

장식 및 기타 용도

생물학에서 지느러미는 성적 장신구로서 적응적인 의미를 가질 수 있다.구애하는 동안 여성 시클리드인 골반차크로미스 태니오토스는 크고 시각적으로 눈에 띄는 자주색 골반 지느러미를 보여준다.연구진은 수컷이 골반지느러미가 큰 암컷을 분명히 선호했고, 골반지느러미가 암컷 물고기의 다른 지느러미보다 불균형하게 자란다는 사실을 밝혀냈다.[30][31]

장식
구애하는 동안 여성 시클리드인 골반차크롬은 시각적으로 눈에 띄는 자주색 골반 지느러미를 보여준다.
스피노사우루스는 등지느러미를 구애 표시로 사용했을지도 모른다.
1950년대 자동차 꼬리 지느러미는 대부분 장식적이었다.

물고기의 꼬리 지느러미처럼, 사람의 발을 수영선수나 수중 다이버의[34][35] 발차기에 추력과 효율성을 더하는 서프보드 지느러미들은 서퍼들에게 보드를 조종하고 통제할 수 있는 수단을 제공한다.현대의 서프보드는 종종 중심 지느러미와 두 개의 캠버티드 사이드 지느러미를 가지고 있다.[36]

암초 물고기의 몸은 종종 열린 물고기와는 다른 모양을 하고 있다.오픈 워터 피쉬는 보통 속도를 위해 만들어지는데, 물 속을 움직일 때 마찰을 최소화하기 위해 어뢰처럼 유선형이다.암초 어류는 산호초의 비교적 밀폐된 공간과 복잡한 수중 풍경 속에서 활동한다.이러한 기동성이 직선 속도보다 더 중요하기 때문에 산호초 물고기는 다트와 방향을 바꾸는 능력을 최적화하는 몸을 개발했다.그들은 암초에 있는 틈새로 몸을 피하거나 산호 머리 주위에서 숨바꼭질을 하며 포식자보다 더 많이 사냥한다.[37]나비 물고기, 담쟁이 물고기, 천사 같은 많은 암초 물고기의 가슴 지느러미와 골반 지느러미가 진화하여 브레이크 역할을 할 수 있고 복잡한 기동을 할 수 있다.[38]나비 물고기, 담쟁이 물고기, 천사 같은 많은 암초 물고기들은 팬케이크처럼 깊고 측면으로 압축된 몸을 진화시켜 바위의 틈새에 들어갈 것이다.골반과 가슴지느러미는 다르게 설계되어 있어 납작해진 몸체와 함께 작용하여 기동성을 최적화한다.[37]복어, 대파, 트렁크피쉬와 같은 일부 물고기들은 수영을 위해 가슴지느러미에 의존하며 꼬리지느러미를 거의 사용하지 않는다.[38]

기타 용도
수영 지느러미는 사람의 발차기에 힘을 더한다.
서프보드 핀은 서퍼들이 그들의 보드를 조종할 수 있게 해준다.
몇몇 아시아 국가에서는 상어 지느러미가 요리의 별미다[39].
최근 몇 년간, 자동차 지느러미는 매우 기능적인 스포일러와 날개로[40] 진화해왔다.
많은 암초 물고기들은 납작한 몸을 위해 최적화된 가슴과 골반 지느러미를 가지고 있다.
개구리 물고기는 가슴 지느러미와 골반 지느러미를 이용하여 바다 밑바닥을 걷는다.
날치들은 확대된 가슴지느러미를 사용하여 수면 위로 미끄러져 올라간다.

지느러미의 진화

수생동물들은 일반적으로 이동에 지느러미를 사용한다.
(1) 가슴지느러미(쌍체), (2) 골반지느러미(쌍체), (3) 등지느러미, (4) 항문지느러미, (6) 까오달(꼬리)지느러미

아리스토텔레스는 유추적 구조와 동음이의적 구조의 구별을 인식하고 다음과 같은 예언적 비교를 하였다: "새들은 어떻게 보면 물고기와 닮았다. 새들은 몸의 윗부분에 날개가 있고 물고기는 몸의 앞부분에 지느러미가 두 개 있기 때문이다. 새들은 아랫부분에 발이 있고 대부분의 물고기들은 아랫부분과 앞지느러미 근처에 두 번째 지느러미를 가지고 있다."

– Aristotle, De incessu animalium [43]

해부학자 칼 게겐바우르가 제안하는 오래된 이론이 있는데, 과학 교과서에서 종종 무시되어 왔다. "지느러미와 (더 later) 팔다리는 멸종된 척추동물의 아가미에서 진화했다."화석 기록의 공백이 결정적인 결론을 내리지는 못했다.2009년, 시카고 대학의 연구원들은 " 아가미, 지느러미, 팔다리의 유전적 건축"과 "동물의 몸에서 떨어져 나온 어떤 부속물의 골격은 아마도 상어의 아가미가 형성되는 것으로 추적한 발달 유전 프로그램에 의해 패턴이 만들어졌을 것"이라는 증거를 발견했다.[44][45][46]최근의 연구는 질 아치와 쌍으로 된 지느러미가 연속적으로 동음이의어이고 따라서 지느러미가 질 조직으로부터 진화했을지도 모른다는 생각을 뒷받침한다.[47]

물고기는 모든 포유류, 파충류, 새, 양서류의 조상이다.[48]특히 4억년 전 육지에서는 육지 테트라포드(네발 동물)가 물고기에서 진화해 처음으로 육지로 진출했다.그들은 이동에 두 개의 가슴 지느러미와 골반 지느러미를 사용했다.가슴지느러미는 앞다리(인간의 경우 팔)로, 골반지느러미는 뒷다리로 발달했다.[49]사다리꼴로 걷는 다리를 만드는 유전적 기계의 많은 부분이 이미 물고기의 헤엄치는 지느러미 속에 존재한다.[50][51]

A) 로브핀 물고기의 수영 지느러미와 B) 테트라포드의 보행 다리 사이의 비교.서로 일치한다고 여겨지는 뼈는 색깔이 같다.
평행하지만 독립적인 진화에서, 고대 파충류인 이크티오사우루스 코뮈니스는 물고기(또는 돌고래)와 매우 유사한 지느러미를 개발했다.

2011년 호주의 모나시 대학의 연구원들은 원시적이지만 여전히 살아있는 폐어를 사용하여 "테트라포드의 하중을 견디는 뒷다리가 어떻게 진화했는지 알아내기 위해 골반 지느러미 근육의 진화를 추적했다."[52][53]시카고 대학의 추가 연구는 바닥으로 걷는 폐지가 이미 지상 테트라포드의 걸음걸이의 특성을 진화시켰다는 것을 발견했다.[54][55]

융합적 진화의 전형적인 예에서 익룡, 새, 박쥐의 가슴 사지는 독립된 길을 따라 날개로 더욱 진화했다.날개가 날아다녀도 걷는 다리와 비슷한 점이 많고, 가슴지느러미의 유전적 청사진의 핵심 부분이 그대로 남아 있다.[56][57]

약 2억년 전에 최초의 포유동물이 나타났다.이 포유류 무리들은 약 5천 2백만년 전에 바다로 돌아가기 시작했고, 그래서 원을 완성했다.이들은 고래, 돌고래, 포식동물이다.최근의 DNA 분석은 고래상어가 짝수 어금니 안에서 진화했으며, 하마와 공통된 조상을 가지고 있다는 것을 시사한다.[58][59]약 2300만년 전에 다른 곰 같은 육지 포유류 무리가 바다로 돌아가기 시작했다.이것들은 바다표범들이었습니다.[60]고래와 바다표범에서 걷는 팔다리가 된 것은, 독립적으로, 수렴 진화의 역방향 형태로, 새로운 형태의 수영 지느러미로 다시 진화했다.앞다리는 지느러미가 되고 뒷다리는 두 개의 지느러미로 끝나는 꼬리가 되었는데, 고래상어의 경우에는 요행이라고 한다.[61]물고기 꼬리는 보통 수직이고 좌우로 움직인다.세태산 가시는 다른 포유동물과 마찬가지로 구부러지기 때문에 세태산 가시는 수평이고 위아래로 움직인다.[62][63]

익룡은 돌고래를 닮은 고대 파충류다.그들은 약 2억 4천 5백만년 전에 처음 나타났고 약 9천만년 전에 사라졌다.

그는 "지상의 조상들과 함께 바다를 누비는 이 파충류는 물고기에 매우 강하게 융합되어 실제로 등지느러미와 꼬리를 적절한 장소에서 적절한 수문학적 디자인으로 진화시켰다.이 구조물들은 무에서 진화했기 때문에 더욱 주목할 만하다. 조상들의 육상 파충류는 전구체 역할을 하기 위해 등에 혹이나 꼬리에 칼날이 없었기 때문이다.[64]

생물학자 스티븐 제이 굴드는 어룡이 융합 진화의 가장 좋아하는 예라고 말했다.[65]

로봇 핀

1990년대에 CIA는 무인 수중 차량의 타당성을 시험하기 위해 찰리라고 불리는 로봇 메기를 만들었다.
외부 영상
video icon 찰리 더 메기 – CIA 비디오
video icon AquaPenguin – Festo, YouTube
video icon AquaRay – Festo, YouTube
video icon AquaJely – Festo, YouTube
video icon AiraCuda – Festo, YouTube

수생동물의 추진에 지느러미를 사용하는 것은 현저하게 효과적일 수 있다.어떤 물고기는 90% [3]이상의 추진효율을 달성할 수 있다고 계산되었다.물고기는 보트나 잠수함보다 훨씬 더 효과적으로 가속과 기동을 할 수 있고, 물의 교란과 소음을 적게 낼 수 있다.이것은 수생동물의 움직임을 모방하려는 수중 로봇의 생체모방 연구로 이어졌다.[66]예를 들면, 필드 로봇 공학 연구소가 Thunniform 운동을 분석하고 수학적으로 모형화하기 위해 만든 로봇 참치를 들 수 있다.[67]2005년 씨라이프 런던 아쿠아리움은 에식스 대학의 컴퓨터 과학부에서 만든 세 마리의 물고기 로봇들을 전시했다.이 물고기는 자율적으로 헤엄쳐 다니고 실제 물고기처럼 장애물을 피하도록 설계되었다.이들의 창작자는 "참치의 속도, 파이크의 가속도, 뱀장어의 항해 기술 등을 겸비하려 했다"[68][69][70]고 주장했다.

독일의 페스토가 개발한 아쿠아펜갱은 펭귄의 앞 지느러미에 의한 유선형의 모양과 추진력을 모방한다.[71][72]페스토는 또한 각각 아쿠아레이,[73] 아쿠아젤리[74], 에어라쿠다를 개발하여 [75]쥐가오리, 해파리, 바구니의 이동을 모방하였다.

2004년 MIT의 휴 허 씨는 개구리 다리에서 로봇까지 외과적으로 근육을 이식한 후 근육섬유를 전기로 맥동시켜 로봇이 헤엄치게 함으로써 살아있는 작동기를 가진 생체역학 로봇 물고기의 원형을 만들었다.[76][77]

로봇 물고기는 물고기의 나머지 부분과 분리하여 물고기 디자인의 개별 부분을 검사할 수 있는 능력과 같은 몇 가지 연구상의 이점을 제공한다.그러나, 이것은 생물학을 지나치게 단순화시킬 위험이 있기 때문에 동물 디자인의 주요 측면은 간과된다.로봇 물고기는 또한 연구자들이 유연성이나 특정한 움직임 제어와 같은 단일 매개변수를 변화시킬 수 있게 해준다.연구자가 직접 힘을 측정할 수 있는데 살아있는 물고기에서는 이 힘이 쉽지 않다."로보틱 장치는 또한 기관차 표면의 위치를 정확하게 알 수 있기 때문에 3차원 운동학적 연구와 상관관계가 있는 유체역학 분석을 용이하게 한다.그리고 자연운동의 개별적인 요소들(외사병 대 펄럭이는 부속물의 삽입)은 별도로 프로그램할 수 있는데, 살아 있는 동물과 함께 작업할 때는 확실히 달성하기 어렵다."[78]

참고 항목

참조

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외부 링크

외부 영상
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