손가락 튕기기(finger-snaps)에 담긴 물리학

문광주 기자 / 기사승인 : 2022-01-04 09:33:56
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3'50" 읽기
- 손가락 스냅에 대한 첫 번째 증거는 기원전 4세기
- 고대 그리스 꽃병에 숲의 신 판(Pan)이 마에나드와 함께 춤을 추고 있는 모습
- 인간의 가장 빠른 가속 회전 운동, 160만도/sec^2의 각가속도
- 부드럽지만 끈적끈적한 표면에 의존하는 로봇 개발을 위한 추가 기반 제공

손가락을 튕기는 비밀이 밝혀졌다.
놀라운 영감을 받은 연구원들이 손가락을 튕기는 물리적 기초를 연구하고 있다.


놀랍도록 빠름:
과학자들은 처음으로 손가락이 튕기는 현상 뒤에 있는 물리학을 분석했다.
그들의 조사에 따르면 이 엄지와 중지의 움직임은 실제로 지금까지 측정된 가장 높은 가속도를 가진 인간의 움직임이다. 손가락의 표면 속성이 일반적인 노이즈 생성에 결정적이다.
예를 들어, 금속 장갑으로 스냅하는 것은 불가능하다. 

▲ 손가락 스냅은 어떻게 작동할까? 장갑으로도 가능할까? © Georgia Institute of Technology

손가락 스냅에 대한 첫 번째 증거는 기원전 4세기에 나온다.
고대 그리스 꽃병에 숲의 신 판(Pan)은 마에나드와 함께 춤을 추고 있는 모습이 있다.
그는 오른손으로 음악에 맞춰 손가락으로 스냅하고 있다. 이것은 엄지와 중지의 일반적인 위치로 알 수 있다.
오늘날에도 손가락을 튕기는 것은 리듬을 만들거나 관심을 끌기 위한 광범위한 수단이다.

슈퍼 빌런에서 영감을 받아

Georgia Institute of Technology의 사드 브하믈라(Saad Bhamla)가 이끄는 팀은 손가락을 튕기는 동작의 정확한 순서와 그 이면의 물리학을 처음으로 자세히 조사했다.
그들은 사마귀 새우와 같은 매우 빠른 동물의 움직임을 분석한 이전 연구의 모델을 토대로 사용했다. 검토한 움직임은 모두 큰 억눌린 긴장의 원리를 기반으로 하고 있다가 갑자기 해제된다. 여기에서 연구원들은 인간의 손가락 스냅과 강한 유사점을 보았다.

자체 보고에 따르면 Bhamla와 공동 저자 라르하브 아카르야(Raghav Acharya)는 2018년 영화관에서 영화 '어벤져스: 인피니티 워'를 본 후 스냅의 물리학을 조사하기 위한 아이디어를 생각해 냈다. 마블 엔터테인먼트가 제작한 슈퍼 히어로 영화에서 악당 '타노스'는 여섯 개의 특별한 돌을 모아 자신의 금속 장갑으로 결합하려 한다. 여섯 개를 모두 모으면 손가락 하나로 우주의 절반을 쓸어버릴 수 있다.

Bhamla와 Acharya는 금속 장갑으로 스냅하는 것이 가능한지 궁금해했다.
그들은 손가락의 마찰이 영화에서 중요하지 않은 역할을 했으며 장갑이 너무 미끄럽지 않을 것이라고 의심했다.
▲ 그림 1. 손가락 스냅은 3상으로 주로 1차원 모션으로 고속 및 가속도를 나타낸다. (a) 기원전 320-310년의 도자기 조각으로 그리스의 야생의 신 판(Pan)이 손가락 모양으로 말려진 손으로 마네이드와 춤을 추고 있는 모습이 묘사돼 있다. (b) 측면에서 본 스냅의 다른 타임스탬프에서 모션의 합성 이미지. (c) 손가락 스냅의 운동학 및 역학(n = 5). 손목, 너클 및 손가락 끝의 지점 사이에서 측정한 각도. 스냅 동안 중지와 엄지 사이에 위치한 촉각 압력 센서를 통해 측정한 힘은 최대 가속도에서 힘 판독값이 0에 도달하도록 정렬된다. 음영 영역은 각 시점의 측정 편차를 나타낸다. (d) 방출되기 전에 에너지가 저장되고 엄지와 중지 둘 다에 거의 1차원적 움직임을 야기할 때 손가락 끝의 가시적인 압축을 보여주는 전면에서 손가락의 스틸이 스냅된다. (출처: 관련논문 Fig 1. The ultrafast snap of a finger is mediated by skin friction / Journal of the royal society interface)

4개의 서로 다른 표면

손가락의 표면에 따라 스냅의 성공 여부를 조사하기 위해 과학자들은 네 가지 고무를 테스트했다. 병원에서도 볼 수 있는 니트릴 장갑이 기본으로 사용되었다. 또한 연구원들은 윤활유로 적신 니트릴, 라텍스 골무, 일반 니트릴 장갑으로 고정된 구리 손가락 끝을 테스트했다. 후자는 금속 장갑 Thanos를 시뮬레이션해야 한다.

Bhamla의 팀은 고속 카메라와 힘 게이지를 사용하여 스냅을 분석했다. 그들은 팀의 3명의 피험자들에게 4개의 손가락 패드를 각각 5번씩 스냅하게 했다. 또한 맨손으로 스냅할 때의 힘, 가속도, 속도를 측정했다.

눈 깜짝할 사이에 20배 빠른 속도로

Bhamla는 "데이터를 보고 거의 의자에서 떨어질 뻔했다“고 보고했다.
데이터에 따르면 맨살로 손가락을 튕기는 것은 인간의 가장 빠른 가속 회전 운동이다. 160만도/sec^2의 각가속도를 가진 이 손가락 튕기기는 프로야구의 경우 약 60만도/sec^2의 각가속도를 달성할 수 있는 투수의 팔 움직임의 기록보다 앞선다.

각속도의 관점에서 볼 때 프로야구 투수의 팔은 초당 9,200도로 초당 7800도의 손가락 스냅보다 약간 높다. 정상적인 가운데 손가락 길이의 경우 이는 손가락 끝의 최대 속도인 초당 약 468m에 해당하며, 이는 시속 1685킬로미터(1684.5m/h)다.
이 속도는 매우 짧은 시간 동안만 가능하다. Bhamla는 "동영상을 찍는 데 7ms(밀리초)가 소요되며 이는 누 깜박임보다 20배 이상 빠르다"고 말했다.
▲ 그림 2. 손가락 스냅에 대한 마찰 및 압축의 영향. 손가락은 윤활 처리된 니트릴(낮은 μ, 분홍색), 니트릴(중간 μ, 녹색), 라텍스 고무(높은 μ, 자주색) 및 니트릴로 덮인 골무(낮은 접촉 면적, 파란색)로 덮여 있으며 각 변위, 속도 및 수직력은 다음과 같다. 윤활된 니트릴, 니트릴 및 라텍스 고무 실험의 경우 N = 5개의 스냅이 3명의 다른 사람으로부터 분석됐다. 니트릴로 덮인 골무의 경우 한 사람이 5개의 스냅을 분석. 손가락에 윤활된 니트릴과 니트릴로 덮인 골무로 스냅을 수행한 경우 중지가 정지 각도에 도달하는 데 표시된 25ms보다 더 오래 걸리고 이 정지 각도로의 복귀는 그래프에서 생략됐다. 음영 영역은 각 시점의 측정 편차를 나타낸다. (출처: 관련논문 Fig 2)

니트릴에만 적합

과학자들의 재료 비교에 따르면 일반 니트릴 장갑만이 스냅에 적합하다.
적셔진 후, 피험자들은 더 이상 충분한 텐션을 구축할 수 없었다. 반면에 다소 미끄러지지 않는 라텍스 캡은 많은 힘을 가했지만 이것이 매우 천천히 해제되기 때문에 스냅 핑거도 저속에만 도달했다.

구리 골무와 니트릴 장갑의 조합으로도 연구자들은 제대로 스냅하는 데 성공하지 못했다.
구리 위에 당겨진 장갑의 표면 특성은 기본적으로 순수한 니트릴 장갑의 표면 특성과 동일했지만 금속 골무는 필요한 유연성이 부족했다. Bhamla의 동료인 Challita는 "압축성과 마찰을 줄임으로써 스냅할 수 있는 충분한 힘을 만들기가 어렵다"고 설명한다.

이것은 연구팀의 초기 질문을 명확하게 한다.
"우리의 결과는 타노스(Thanos)가 손가락에 낀 장갑을 뚫을 수 없었음을 시사한다"고 Acharya는 말했다.

로봇 공학에 응용

Schnips 연구의 결과는 과학자들에게 모델을 더욱 최적화할 수 있는 기회를 주며 빠른 동물 움직임에 대한 추가 조사에도 사용한다. 또한, 이번 발견은 부드럽지만 끈적끈적한 표면에 의존하는 로봇 개발을 위한 추가 기반을 제공할 수 있다. 연구원들에 따르면, 이것은 또한 미래의 보철물을 위한 표면 선택을 향상시킬 수 있다.
(Journal of the Royal Society, 2021; doi: 10.1098/rsif.2021.0672)
출처: Georgia Institute of Technology

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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