똥 이모티콘 뒤에 숨은 물리학

새로운 연구에 따르면 재미있어 보이는 "똥 이모티콘"에는 실제로 심오한 물리학 법칙이 숨겨져 있습니다. 대부분의 동물은 아래쪽으로 배변하며, 똥이 원형으로 쌓이면 각 원의 거리가 점차 짧아져 자연스럽게 "소프트 아이스크림 소용돌이"와 유사한 바닥이 넓고 상단이 좁은 고전적인 원뿔 모양의 코일 모양이 형성됩니다. 연구팀은 특정 벌레가 배설물을 위쪽으로 배설하는 것과 같이 이 과정이 "역전"될 때 동일한 물리 법칙이 완전히 다른 "탑과 같은" 구조를 생성한다는 것을 발견했습니다. 이는 휴대폰에서 가장 유머러스한 아이콘 중 하나라도 중력과 재료 역학의 조합에 의해 형성된다는 것을 의미합니다.

암스테르담 대학교 물리학 연구소의 다니엘 본(Daniel Bonn)과 그의 동료들이 주도한 이번 연구에서는 똥 모양이 본질적으로 다양한 이유를 분석하고 "탄성 로프 코일링"이라는 물리적 법칙에 대한 답을 추적했습니다. 탄성 로프 코일링은 외부 힘과 중력의 영향으로 로프 및 기타 유연한 재료가 어떻게 코일링되는지 설명하는 데 사용되는 수학적 모델입니다. 연구에 따르면 핵심 요인은 재료 자체의 강성과 압출 방향에 대한 중력의 방향이므로 단일 배변의 모양을 결정하는 데 있어 물리적 요인이 생물학적 및 진화적 요인보다 더 중요합니다.

일상생활에서 흔히 볼 수 있는 '똥 이모티콘'은 자연의 일반적인 똥 더미 모양과 매우 유사하다. 아래가 넓고 위가 좁으며, 전체가 나선형으로 쌓여 마치 소프트 아이스크림을 동그랗게 짜낸 것과 비슷하지만 '맛'은 훨씬 떨어진다. 그 이유는 대부분의 동물의 배변방향이 아래쪽을 향하고 있기 때문이다. 부드러운 배설물이 배설되어 높이 쌓이면 새로운 원의 높이 차이가 점차 줄어들고 해당 코일 크기도 작아집니다. 결국 상단은 좁고 하단은 넓은 원추형 나선형 말뚝이 자연스럽게 형성된다.

그러나 예외가 있습니다. 연구에 따르면 갯지렁이와 같은 일부 벌레는 "중력을 거슬러" 위쪽으로 배변하는 것으로 나타났습니다. 그들의 배설물이 표면에 쌓이면 작은 탑과 유사한 구조를 형성합니다. 코일의 반경은 일반적인 배설물 더미처럼 점차적으로 조여지는 것이 아니라 기본적으로 높이 방향을 따라 일정하게 유지됩니다. Bang은 갯지렁이가 "반중력 좌굴"이라는 특별한 기계적 상태를 나타낸다고 설명했습니다. 이들은 부드러운 물질을 중력의 반대 방향으로 위쪽으로 밀어내며 그들이 형성하는 배설물은 더 이상 일반 동물의 "중력 코일링" 패턴을 따르지 않고 반중력 조건에서 부드러운 고체의 좌굴 및 쌓이는 동작을 구현합니다.

이 현상은 한때 찰스 다윈(Charles Darwin)조차 혼란스럽게 했지만 현재 연구에서는 더 명확하게 설명하고 있습니다. 탄성 로프 코일링 이론을 사용하여 부드러운 재료의 압출 및 코일링 과정을 설명하는 한, 다양한 동물 배설물 형태의 차이를 균일하게 설명할 수 있습니다. Bang은 Wageningen 대학 및 연구 센터의 Mehdi Habibi 및 프랑스 국립 과학 연구 센터/University Paris-Saclay의 Neil M. Ribe와 협력했습니다. 이론적 분석과 실험적 검증을 통해 중력과 압출 방향의 다양한 조합에서 부드러운 소재가 자연스럽게 완전히 다른 적층 구조로 진화한다는 것이 분명해졌습니다.

이번 연구에서는 재료의 강성(탄성)과 밀도, 대변 자체의 직경이 코일형 구조를 결정하는 핵심 변수라는 사실이 밝혀졌습니다. 즉, 코일의 반경은 배설물의 직경과 탄력성, 밀도의 조합에 의해 결정되는데 이는 식단에 따라 약간씩 다르지만 크게 다르지 않기 때문에 종별 주요 차이점은 '배설물 자체의 두께'입니다. 예를 들어, 비지렁이의 배설물 직경은 더 작아서 더 얇은 코일을 형성합니다. 반대로, 더 큰 Nereis 벌레의 배설물은 더 큰 직경을 가지므로 훨씬 더 큰 코일과 탑 모양의 축적물을 형성합니다. 이는 물리 법칙에 기초한 '생물학적 요인'의 주요 영향으로 간주됩니다.

흥미롭게도 이러한 관찰은 대변에만 국한되지 않습니다. 연구팀은 완두콩 반죽, 파스타 등 압출 공정을 통해 만들어진 식품에도 동일한 코일링 및 버클링 원리가 적용된다고 지적했다. 실제로 방 대표는 각종 국수, 파스타, 사탕 등 수많은 식품과 소재가 압출을 통해 만들어진다고 말했다. 생산 과정에서 나타나는 나선형, 곡선 또는 물결 모양은 모두 유사한 물리적 모델로 설명할 수 있습니다.

이 연구는 또한 엔지니어링 및 제조 관점에서 잠재적인 응용 가능성을 암시합니다. Bang은 유사한 코일링 메커니즘을 사용하여 매우 간단한 방법으로 스프링과 같은 구조물을 준비할 수 있다고 말했습니다. 부드러운 소재가 압출될 때 기판을 이동하거나 상대 운동 궤적을 조정하면 복잡하고 우아한 패턴은 물론 실용적인 기능을 갖춘 구조까지 생성할 수 있습니다. 이전 관련 연구에서 연구자들은 아름답고 유용한 다양한 미세 구조를 만들기 위해 움직이는 기판과 코일 사이의 상호 작용을 사용했습니다. "똥 더미 모양"에 대한 이번 연구는 중력장에서 부드러운 재료의 거동에 대한 사람들의 이해를 더욱 풍부하게 합니다.

연구팀은 '과학 너머'에서 이러한 발견을 디지털 생활로 되돌릴 계획도 갖고 있습니다. 방 대표는 자신과 동료들이 '2세대 똥 이모티콘'을 디자인하고 있으며, 이모티콘 표준 통합을 담당하는 유니코드 얼라이언스(Unicode Alliance)에 공식적으로 권고할 계획이라고 밝혔다. 앞으로 사용자들은 휴대폰에서 기존 이미지와는 다른 새로운 '똥' 이모티콘을 보게 될 것으로 예상된다. 관련 연구 논문은 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재되었으며, 독립적인 과학 저자들에 의해 사실 확인되었습니다.