고양이는 왜 높은 곳에서도 멀쩡할까? 슬로모션으로 밝히는 ‘슈퍼 착지’의 물리학!
사이언스 트레이너 쿠와코 켄입니다. 매일이 실험이죠.
고양이들은 왜 그렇게 높은 곳에서 뛰어내려도 사뿐하게 착지할 수 있을까요? 마치 중력의 영향을 받지 않는 것처럼 말이죠. 영국 BBC가 초고속 슬로우모션 카메라로 그 비밀을 파헤쳤습니다. 카메라에 담긴 모습은 우리가 평소 보던 ‘평범한’ 점프와는 완전히 다른, 놀라운 ‘물리학’의 세계였습니다.
이 영상을 꼭 확인해 보세요. 고양이가 얼마나 대단한 착지의 달인인지 한눈에 알 수 있습니다.
어떠세요? 정말 대단하죠! 이 글은 Lifehacker의 기사, 「높은 곳에서 떨어져도 고양이가 항상 발로 착지하는 이유」를 보고 알게 되었습니다.
영상을 보면, 고양이가 착지할 때 ‘충격을 흡수’ 하기 위해 몸을 아주 능숙하게 사용한다는 것을 알 수 있습니다. 그렇다면 이 ‘충격 흡수’라는 건 대체 무슨 원리일까요?
오늘은 이 고양이의 슈퍼 테크닉을 고등학교 물리의 ‘운동량’과 ‘충격량’이라는 관점에서 함께 파헤쳐 봅시다!
고등학교 물리로 파헤쳐 보는 고양이의 ‘슈퍼 착지’
물리학에서는 움직이는 물체의 ‘기세’를 ‘운동량(運動量)’ 이라는 용어로 표현합니다. 이것은 ‘무게(질량) × 속도’ 로 결정됩니다. 높은 곳에서 떨어지는 고양이는 땅에 닿기 직전, 엄청난 ‘운동량’을 가지고 있는 셈입니다.
착지한다는 것은 이 ‘운동량’을 순간적으로 ‘제로(0)’로 만든다는 의미입니다.
물체를 멈추는(운동량을 변화시키는) 데에는 ‘충격량(衝擊量)’ 이라는 것이 필요합니다. ‘충격량’은 ‘힘 × 시간’ 으로 계산됩니다.
고양이가 땅으로부터 받는 힘을 F, 땅에 발이 닿아있는 시간을 t라고 하면, 다음과 같은 관계가 성립합니다.
mv − Ft = 0
(처음 운동량) － (충격량) ＝ (나중 운동량. 정지했으므로 0)
이것을 변형하면 이렇게 됩니다.
Ft = mv
(충격량 ＝ 처음 운동량)
여기가 가장 중요한 핵심입니다. 고양이가 안전하게 착지하기 위해 바꿔야 하는 ‘운동량(mv)’은 떨어진 높이에 따라 이미 정해져 버리기 때문에 바꿀 수 없습니다. 만약 고양이가 ‘쿵!’ 하고 한순간에 (시간 t가 아주 작게) 착지해 버리면 어떻게 될까요? ‘Ft = (일정한 운동량)’이므로, t가 작은 만큼 발에 가해지는 힘 F는 엄청나게 커지게 됩니다. 이것이 바로 ‘충격’의 정체이며, 골절과 같은 큰 부상으로 이어지는 것이죠.
시간을 버는 고양이의 초절정 테크닉
그렇다면 고양이는 어떻게 할까요? 슬로우모션 영상을 다시 한번 봅시다. 고양이는 발을 쭉 편 상태로 지면에 가까워집니다.
처음부터 발을 구부리고 있는 것이 아니라는 점이 핵심입니다. 그리고 발이 땅에 닿는 순간부터 마치 아코디언처럼 관절을 천천히, 깊숙이 구부립니다.
바로 이 ‘착지한 다음, 몸을 천천히 가라앉히는’ 동작이 물리학적으로 볼 때 매우 영리한 움직임인 것입니다.
이것은 운동량이 제로가 될 때까지의 시간 t를 최대한 길게 벌기 위한 테크닉입니다. ‘Ft = (일정한 운동량)’ 공식을 다시 떠올려 보세요. 고양이는 몸을 유연하게 사용함으로써 착지 시간 t를 늘리고, 그 결과 발이 지면으로부터 받는 힘 F (전문 용어로 수직항력이라고 합니다)를 줄이고 있었던 것입니다. 이것이야말로 ‘충격을 흡수하는’ 것의 정체입니다.
우리 주변의 ‘충격량’ 컨트롤
이 테크닉은 사실 우리 주변에서도 흔하게 사용됩니다.
예를 들어, 죽방울 놀이(켄다마) 를 생각해 보세요. 접시로 죽방울을 받을 때, 죽방울이 접시에 닿는 순간 무릎을 이용해 스윽 몸을 낮추죠? 그것 역시 죽방울이 멈출 때까지의 시간 t를 길게 하여, 죽방울이 접시로부터 받는 힘 F를 줄이고 바운드(튕김)를 억제하기 위한 움직임입니다. 만약 무릎을 고정하고 ‘탁!’ 하고 받아내면 죽방울은 튕겨나가 버릴 겁니다.
고양이는 이 ‘충격량 컨트롤’을 타고난 몸과 본능으로 완벽하게 해내고 있는 것입니다. 무심코 보아 넘겼던 고양이의 점프도 물리학적인 시선으로 보니, 이렇게나 정교한 기술로 가득 차 있다는 사실에 놀라울 따름입니다!
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