주머니 모양의 몸을 부드럽게 움직이며 바다를 이동하는 해파리는 인간 엔지니어의 관심을 끌만한 많은 비밀을 가지고 있지 않은 것 같습니다. 그러나 단순한 생물인 해파리는 주변 물의 흐름을 이용하고 제어하는 ​​데 능숙하며 때로는 놀라운 효율성을 보입니다. 따라서 엔지니어, 수학자 및 기타 전문가가 배울 수 있는 유체 역학 문제에 대한 정교한 솔루션을 구현합니다. 존 다비리캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology)의 기계 및 항공우주 공학 전문가인 은 이번 에피소드에서 스티븐 스트로가츠(Steven Strogatz)와 함께 해파리 및 기타 수중 생물이 잠수함 설계, 풍력 터빈의 최적 배치 및 건강한 인간 심장에 대해 가르쳐 줄 수 있는 것에 대해 이야기합니다.

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성적 증명서

스티븐 스트로 가츠 (00:03): 저는 Steve Strogatz이고 이것은 이유의 기쁨, 팟캐스트 Quanta Magazine그것은 오늘날 수학과 과학의 가장 큰 답이 없는 몇 가지 질문으로 당신을 데려갑니다.

(00:14) 사람들은 생물학이 엔지니어에게 훌륭한 교사라고 말합니다. 날아오르는 독수리가 공기 역학에 관해 우리에게 가르쳐 줄 수 있는 모든 것을 생각해 보십시오. 오늘 내 손님은 해파리가 엔지니어링 여름 인턴쉽을 위해 공부하는 데 도움이 될 것이라고 생각했습니다. 그리고 몇 년 후, 그는 이 에피소드의 주제인 유체 역학에 대해 해파리가 제공해야 하는 풍부한 정보를 얻기 위해 여전히 해파리를 연구하고 있습니다.

(00:36) 해파리와 물고기 떼의 움직임은 공기, 물, 심지어 피의 움직임에 대해 무엇을 가르쳐 줄 수 있습니까? 물고기 떼가 일제히 움직이는 방식에 대한 수학을 연구함으로써 오늘 손님은 청정 에너지를 보다 효율적으로 생성하기 위해 풍력 터빈을 배치하는 방법을 알아낼 수 있었습니다. 하지만 그게 다가 아닙니다. 해파리가 헤엄치는 방식은 인간의 심장 건강에 대해서도 알려줄 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그리고 해파리는 우리에게 수중 추진에 대한 새로운 요령을 가르쳐 주었고, 이는 새로운 세대의 잠수함 설계에 도움이 될 수 있습니다. 하지만 게스트인 John Dabiri가 더 자세히 설명하도록 하겠습니다. 그는 Caltech의 기계 및 항공 우주 공학 교수입니다. 그는 우승 워터맨 상 2020년에 신입 과학자 및 엔지니어를 위한 미국 최고의 영예입니다. 그는 또한 Biden 대통령의 일원입니다. 과학기술자문위원회. 환영합니다, 존 다비리 교수님.

존 다비리 (01:31): 고마워, 스티브. 여기 있는 것이 좋습니다.

스트로가츠 (01:33): 여러분을 모시게 되어 정말 기쁩니다. 우리는 서로를 알고 지낸 지 얼마 되지 않았지만 전에는 쇼핑에 대해 이야기할 기회가 없었던 것 같아서 이 일이 기대됩니다. 아시다시피, 저는 고백해야 합니다. 우리가 여러분과 해파리에 대해 많은 이야기를 나누게 되겠지만, 저는 해파리를 안아본 적도, 해파리에게 쏘인 적도 없습니다.

다비리 (01:51): 놓치고 있습니다. 둘 다 해봤습니다.

스트로가츠 (01:55): 어떻게요? 쏘는 것과 같은 해파리와의 친밀한 만남은 어땠습니까?

다비리 (02:00): 글쎄요, 실제로는 제가 잡지를 위해 하는 사진 촬영이었고 사진가는 제 피사체와 가까이서 개인적으로 다가가는 것이 좋을 것이라고 생각했습니다. 그래서 그는 저를 물속으로 데려가서 젤리를 잡고 있으라고 했습니다. 그러는 동안 그 촉수가 내 다리 전체에 떨어지기 시작했습니다. 그래서 그것은 매우 고통스러운 사진 촬영 이었지만 우리는 사진을 찍었습니다.

스트로가츠 (02:21): 사진에서 얼굴을 찌푸리고 있나요?

다비리 (02:23): 알다시피, 꽤 비참하긴 했지만 어떻게든 그들은 내가 웃고 모든 것을 즐기는 것처럼 보이게 만들었습니다.

스트로가츠 (02:29): 죄송합니다. 오늘은 그런 일을 당하지 않겠습니다.

다비리 (02:31): 고마워, 고마워.

스트로가츠 (02:33): 알다시피 David Attenborough TV 프로그램이나 다른 자연 프로그램에서 해파리가 헤엄치는 것을 보면 거의 가방처럼 보입니다. . 그러나 나는 그것이 옳을 수 없다는 것을 압니다. 그들은 단지 수동적인 수영 선수가 아닙니다. 그래서 우리에게 조금 말해 줄 수 있습니까? 그들은 어떻게 움직입니까? 그들은 근육이 있습니까?

다비리 (02:52): 그렇습니다. 사실 해파리는 바다에서 이동할 수 있는 것으로 알려진 최초의 동물입니다. 다큐멘터리에서 볼 수 있는 수영은 단일 세포층에 의해 구동됩니다. 거의 심장 박동과 같은 리듬으로 수축 및 확장할 수 있는 매우 얇은 근육층을 생각해 보십시오. 그리고 그것은 그들이 바다를 통해 추진할 수 있습니다.

스트로가츠 (03:13): 그래서 당신이 리듬에 대해 말할 때, 그것은 근육을 제어하는 ​​신경계도 있어야 한다고 생각하게 합니다.

다비리 (03:20): 사실 해파리는 중추신경계가 전혀 없습니다. 그들도 뇌가 없습니다. 그들이 가진 것이라고는 언제 근육을 발사하고 언제 수축해야 하는지 알려주는 몸 주변의 작은 세포 덩어리뿐입니다. 그래서 그들은 그 근육을 사용하여 여러분과 제가 움직이는 방식과는 매우 다른 방식으로 수영 동작을 조정합니다.

스트로가츠 (03:39): 어 허. 그래서, 그것은... 종소리가 있군요, 그렇죠? 그들은 종에 대해 이야기합니다. 종은 무엇을 의미합니까?

다비리 (03:42): 맞습니다. 그래서 수족관에 있는 해파리를 보면 말씀하신 것처럼 일종의 우산이나 가방처럼 보입니다. 그리고 그 우산의 아래쪽 가장자리 주변에는 보통 XNUMX개 정도의 클러스터가 두 개 있습니다. 그리고 그것들은 몸이 수영하라는 신호를 보내고 근육을 수축시키는 곳입니다. 그래서 수축하는 신호를 조정함으로써 그 과정에서 매우 적은 에너지를 소비하면서 물 속을 헤엄칠 수 있습니다.

스트로가츠 (04:12): 네, 저 자신의 수영을 생각하면 절대 공감할 수 없습니다. 너무 어색하고 많은 시간과 에너지를 낭비합니다. 그래서 여기서 말하는게 뭔데? 당신은 그들이 매우 효율적인 수영 선수라고 말합니까? 무슨 뜻이에요?

다비리 (04:27): 우리는 해파리가 200억 년 전에 헤엄친 최초의 동물 중 일부라는 것을 알고 있습니다. 그들은 대량 멸종 사건에서 살아 남았습니다. 그래서 오랫동안 바다에서 돌고래나 상어와 같은 더 이국적인 수영 선수들과 맞서도 살아남을 수 있도록 효율적으로 움직일 수 있는 능력이 있어야 한다고 생각했습니다. 훌륭한 수영 선수를 생각할 때 생각할 수 있습니다.

(04:53) 알고 보니 이 젤리의 매우 단순한 몸체 모양, 단순한 우산, 소용돌이 고리. 소용돌이치는 물의 도넛을 생각해보세요. 그래서 동물이 근육을 수축할 때마다 이 물 도넛을 만듭니다. 그리고 그것은 그 과정에서 많은 에너지를 사용하지 않고도 물을 통과하기 위해 소용돌이치는 물의 도넛을 거의 밀어냅니다. 그래서 그것은 당신이나 내가 바다에서 성취하려고 시도하는 것과는 매우 다른 수영 영법이지만 상당히 효과적입니다.

스트로가츠 (05:25): 갑자기 이미지가 떠오릅니다. 내가 이것으로 잘못된 길을 가고 있는지 말해주세요. 하지만 어렸을 때 여름 캠프에서 카누를 탔던 기억이 납니다. 그리고 그들은 우리가 노를 물에 넣도록 할 것입니다. 그리고 패들로 뒤로 밀고 다시 말리는 J 스트로크를 하라는 지시를 받았습니다. 그리고 당신은 작은 소용돌이, 물의 작은 소용돌이가 그것에서 나오는 것을 볼 수 있습니다.

다비리 (05:46): 맞습니다.

스트로가츠: 그 뇌졸중, 그게 당신이 말하는 소용돌이와 관련이 있나요?

다비리 (05:50): 그렇습니다. 그래서 바다 전체에서, 사실 지금 이 순간에도 제 입은 제 주위의 공기를 밀고 있고 우리가 소용돌이라고 부르는 이러한 소용돌이치는 흐름을 만들고 있습니다. 그래서 여러분이 수영을 할 때 여러분은 그러한 소용돌이를 만들고 있는 것입니다. 그 카누 노는 이러한 소용돌이치는 소용돌이를 만듭니다. 와류 고리에 있는 해파리의 차이점은 거의 완벽한 원형 모양을 가지고 있다는 것입니다. 그리고 그 원형 모양은 당신이나 내가 팔이나 카누 노를 쓰다듬어 생성할 수 있는 것보다 더 효율적으로 수영할 수 있게 합니다. 그래서 소용돌이의 모양, 소용돌이치는 흐름이 매우 효율적인 수영의 핵심입니다. 그리고 그것이 바로 우리가 이 동물들이 바다에서 어떻게 그렇게 오랫동안 살아남았는지에 대한 미스터리를 풀기 위해 오랫동안 이해하려고 노력한 것입니다. 핵심은 원형 소용돌이 고리입니다.

스트로가츠 (06:41): 그럼 내 머릿속에 그림이 제대로 있는지 봅시다. 원형 와류 고리에 대해 말할 때, 지금 떠오르는 또 다른 이미지는… 예를 들어, 시가를 피우는 사람이나 담배를 피우는 사람이 있습니다.

다비리 (06:57): 맞습니다.

스트로가츠: 누군가의 동그란 입술에서 나오는 그런 원인가요?

다비리 (07:02): 물론입니다. 제가 가르쳤을 때 이것은 제가 고전적으로 사용했던 예였습니다(하지만 지금은 흡연이나 베이핑을 억제하려고 노력하고 있습니다). 그러나 그 예의 무독성 버전을 상상한다면 정확히 맞습니다. 사람들이 날리는 연기 고리는 도넛 모양의 공기처럼 소용돌이치며, 불고 있는 사람으로부터 멀리 떨어진 곳에서도 원형을 유지합니다.

(07:23) 이것의 또 다른 버전은 때때로 바다에서 돌고래가 비슷한 모양을 가진 거품 고리를 가지고 노는 것을 볼 수 있습니다. 중앙에 공기가 갇힌 물 도넛입니다. 그리고 돌고래가 그런 경우에 그 고리를 유지할 수 있는 방법은 특정 유형의 소용돌이치는 흐름의 안정성 때문입니다. 유체 역학에서 정말 독특합니다.

스트로가츠 (07:47): 좋습니다. 해파리에 대해 이야기하는 것도 재미있고 매우 멋지고 효율적입니다. 하지만 듣고 있는 사람들 중 궁금할 수 있는 사람들은 왜 우리가 그들에게 그렇게 많은 노력을 기울이고 있습니까? 더 폭넓게 이해할 수 있도록 도와주세요. 유체 역학이란 무엇입니까? 나머지 과학 또는 기술의 어디에 적용됩니까?

다비리 (08:09): 예, 유체 역학은 우리 주변에 있습니다. 사실, 제가 야심 찬 기계 엔지니어로 성장한 정말 흥미로운 응용 분야 중 하나는 더 효과적인 로켓과 헬리콥터, 즉 일반적으로 추진 시스템에 대해 생각하는 것이었습니다. 이제 우리는 공기와 물이 어떻게 움직이는지에 대한 연구인 이 유체 역학 분야가 물 또는 공기가 만드는 움직임의 측면에서 매우 복잡하다는 것을 알고 있습니다. 우리가 그것을 설명하는 방법 물리학을 사용합니다. 그래서 XNUMX년 전에 등장한 운동이 있었습니다. 이미 알고 있는 일부 동물 시스템을 연구하여 효율적으로 수영하는 방법이나 효율적으로 나는 방법을 알아내는 것이 어떻습니까? 실제로 수세기 전 레오나르도 다빈치로 돌아가서 새를 보고 인간 동력 비행을 개발하는 방법을 이해하려고 노력할 수 있습니다. 따라서 보다 효과적인 기술을 개발할 수 있는 방법에 대한 영감을 얻기 위해 실제로 자연 시스템을 연구하는 오랜 유산이 있습니다. 그렇게 필드에 들어왔습니다.

(08:29) 해파리와 같은 아주 단순한 동물도 물과 우아한 방식으로 상호 작용하는 방식 때문에 우리에게 많은 것을 가르쳐 줍니다. 그리고 그것이 우리가 때때로 생체모방학 또는 생체에서 영감을 받은 공학이라고 불리는 더 넓은 분야에서 특히 해파리를 연구하게 만든 것입니다. 생물학을 바라보며 해결책 찾기 for 엔지니어링 과제.

(09:08) 하지만 해파리는 정말 편리한 여름 프로젝트를 생각해내고 싶은 마음에서 생겨난 것입니다. 나는 여름 연구 프로젝트를 위해 여기 Caltech에 있었고 여기 내 고문은 "수족관에 가서 공부할 동물 시스템을 찾으십시오"라고 말했습니다. 대학 시절 헬리콥터와 로켓을 공부했던 것과 같은 방식입니다. 솔직히 말해서 나는 그것에 대해 흥분하지 않았습니다. 당시 나는 로켓과 추진체를 공부하기 위해 칼텍에 오는 줄 알았다. Caltech에는 유명한 Jet Propulsion Laboratory가 있습니다. 하지만 우리는 수족관에 도착했고 저는 생각했습니다. “음, 여기 10주짜리 프로젝트가 있어. 내가 찾을 수 있는 가장 단순한 동물을 선택하겠습니다. 간단한 모델을 생각해내는 것이 더 쉬울 것입니다.” 그래서 해파리는 쉽게 나올 것 같았습니다. 그리고 물론, 20년이 지난 지금, 저는 여전히 그것들이 어떻게 작동하는지 알아내려고 노력하고 있습니다.

스트로가츠 (10:17): 수학자로서 항상 유체역학에 끌렸던 이유는 너무 어려워. 제가 관심 있는 분야인 미분 방정식에서 우리가 직면한 가장 어려운 수학 문제 중 일부는 유체 역학의 문제와 관련하여 처음 발생했습니다. 그래서 당신이 언급한 — 좋아요, 로켓, 제트 추진을 위한 — 우리는 비행기에 대해 생각할 수 있고, 의료 응용이 있습니다 —

다비리 (10:42): 물론입니다. 우리는 방금 Covid [Covid-19]에서 나왔습니다. 내 말은, 당신에게 매우 현재의 예를 들자면: Covid의 전송 정말 유체 역학 질문이었습니다. 에어로졸은 어떻게 형성됩니까? 그들은 어떻게 전송됩니까? 다른 사람들에게 어떻게 수집됩니까? 마스크를 디자인하고 싶다면 효과적인 방법은 무엇입니까? 기후 변화에서 지구 기후 모델링은 대부분 유체 역학 문제입니다. 유체 역학은 우리 삶의 모든 측면에서 나타납니다.

(11:11) 동물 시스템에 대한 이 연구에서 정말 흥미로웠던 점은 제 관점에서 볼 때 비행기를 만들고 있다면 인간이 컴퓨터 앞에 앉아 매우 복잡한 방정식을 풀려고 한다는 것입니다. 당신은 날개의 이상적인 모양이 무엇인지, 나머지 항공기의 이상적인 모양이 무엇인지 파악하기 위해 설명했습니다. 어떤 면에서 해파리는 물 속을 헤엄치면서 매일 편미분 방정식을 풀고 있습니다.

(11:35) 그래서 우리는 미분방정식에 대한 특정 해법에 도달할 수 있도록 하는 수영에 대한 것이 정확히 무엇인지 알아내야 합니다. 그리고 희망은 해파리가 진화에서 가졌던 것과 같은 제약이 없는 우리 자신의 설계 문제에 적용할 수 있다는 것입니다. 우리에게는 뇌, 중추신경계, 그리고 함께 일할 단일 세포층 이상의 근육이 있습니다. 우리는 작업할 수 있는 가공된 재료를 가지고 있습니다. 이제 AI와 함께 일할 수 있습니다. 그래서 우리가 해파리에 대해 알고 있는 것과 엔지니어로서 사용할 수 있는 모든 도구를 결합한다면 우리가 개발할 수 있는 것은 정말 무궁무진합니다.

스트로가츠 (12:09): 그럼 해파리가 어떻게 하는지에 대한 질문으로 들어가 봅시다. 그들이 종을 수축할 때 생성되는 소용돌이 고리를 어떻게 사용하는지 알아내기 위해 어떤 종류의 실험을 했습니까?

다비리 (12:21): 따라서 가장 먼저 해결해야 할 과제는 물과 공기가 투명하다는 사실입니다. 그래서 우리가 여기 앉아서 서로 이야기하고 있는 동안에도 우리 주변의 공기는 우리의 호흡으로 인해 끊임없이 움직이고 있습니다. 우리는 그것을 실제로 인지할 수 없습니다. 물 속에서도 마찬가지입니다. 수족관에 가면 아마도 동물들이 주된 매력일 것입니다. 하지만 저에게는 그것들을 둘러싼 물입니다. 문제는 탱크를 응시하는 것만으로는 물의 움직임을 쉽게 볼 수 없다는 것입니다. 그래서 우리는 동물 주변의 물을 측정하는 데 도움이 되는 몇 가지 새로운 기술을 개발했습니다.

(12:53) 가장 먼저 할 수 있는 일은 식용 색소처럼 물에 염료를 넣는 것입니다. 그래야 물이 현지에서 어떻게 운반되는지 알 수 있기 때문입니다. 질적인 사진입니다. 이것은 일종의 일반적인 설명을 제공하지만, 물이 이 방향으로 이렇게 빠르게 이동하고 있다고 쉽게 숫자로 나타낼 수 있는 것은 아닙니다.

(13:11) 그러나 우리가 할 수 있는 것은 엔지니어링에서 흔히 사용되는 몇 가지 기술을 사용하는 것입니다. 예를 들어 레이저를 사용합니다. 그래서 물 속에는 작고 떠다니는 미립자가 있습니다. 물에 떠 있는 모래나 미사를 생각해 보십시오. 레이저 시트로 조명할 수 있습니다. 집에 있는 레이저 포인터를 유리 막대에 비추면 광선이 얇은 빛판으로 퍼집니다. 그래서 우리는 물을 통해 그 빛의 시트를 넣습니다. 그것은 물에 있는 모든 부유 미립자를 반사합니다. 그리고 이제 우리는 거의 움직이는 별이 빛나는 밤처럼 작은 입자 하나하나를 추적할 수 있습니다. 영상이 그런 모양입니다. 그리고 각각의 별들, 물 속의 퇴적물 입자들은 물이 어떻게 동물 주위를 국지적으로 움직이는지에 대해 알려줍니다.

(13:56) 그래서 우리는 실험실에서 이러한 기술을 개발했습니다. 큰 도전은 현장에서 해파리를 찾아 실제로 측정하는 것입니다. 나는 운 좋게도 해파리와 함께 수영을 하고 그들과 함께 레이저를 가져가는 게임을 하는 학생들을 찾았습니다.

스트로가츠 (14:10): 하지만 그래서 — 이걸 가져오겠습니다... 레이저 포인터나 수중에서 무엇이든 가져갈 수 있고 아무 문제가 없습니다.

다비리 (14:15): 글쎄요, 그것은 학생의 일부였습니다. 카카니 [카티야] 그녀의 이름이었다. 그녀의 박사 학위 논문은 우리가 이것을 할 수 있도록 하는 기술을 개발하는 것이 었습니다. 스쿠버 다이버가 바다에 들어갈 수 있도록 이 해파리 옆에 아주 조심스럽게 다가가서 레이저를 켜고 주변의 물을 측정할 수 있습니다. 그리고 그녀는 처음으로 소용돌이치는 해류를 매우 정교하게 포착하는 데 상당히 성공적일 수 있었습니다.

스트로가츠 (14:42): 그리고 비디오 카메라 설정도 있나요?

다비리 (14:45): 있습니다. 사실, 그 이미징 기술은 대부분 비디오 기반입니다. 그래서 여러분은 레이저 빛을 반사하는 퇴적물 입자인 움직이는 물의 비디오를 얻고 있습니다. 그래서 시간이 지남에 따라 동물 주변의 물이 어떻게 움직이는지 살펴봄으로써 어떤 경우에는 동물들이 움직이기 위해 물에 그렇게 많은 에너지를 투입하지 않는다는 것을 알아낼 수 있습니다. 우리는 그것을 효율적인 움직임이라고 부릅니다. 주변의 물을 휘젓지 않고 앞으로 나아갈 수 있을 때.

(15:12) 흥미롭게도 일부 해파리 종은 거의 헤엄치지 않지만 헤엄치면 포식자를 피하거나 먹이를 잡기 위해 생존 모드에 들어갑니다. 그러한 경우에 그들은 실제로 많은 에너지를 물에 투입할 것입니다. 그것에 대한 우리의 생각은 그것이 생존의 문제라는 것입니다. 죽이거나 죽임을 당할 때 효율성에 대해 그렇게 걱정하지 않습니다. 그래서 그런 경우에, 우리는 또한 이 레이저 기술로 포착된 동물 주변의 물의 차이를 볼 수 있습니다.

스트로가츠 (15:41): 알겠습니다. 제 전체 셀로판지 가방 사진이 잘못된 것일 수도 있고 머리에서 지워야 할 수도 있습니다. 조화로운 움직임. 모션이 효율적으로 작동하도록 돕기 위해 이러한 와류 고리가 작동하는 방식에 약간의 트릭이 있어야 합니다. 측정 결과 해파리가 하는 일에 놀랍거나 까다로운 일이 나타났습니까?

다비리 (16:05): 네, 좋은 질문입니다. 그리고 이것에 대해 생각할 수 있는 몇 가지 방법이 있습니다. 우선, 해파리의 행동 측면에서 해파리가 자연적으로 하는 것과 우리가 잠수함에서 생각할 수 있는 것 사이의 차이점 중 하나에 대해 백업하고 말해야 합니다. 해파리는 동일한 흐름을 사용하여 먹이를 먹고 있습니다. 그래서 그들이 이러한 소용돌이 고리를 만들 때 소용돌이치는 흐름은 실제로 먹이를 촉수 쪽으로 끌어당겨 포획되어 먹힙니다.

(16:30) 따라서 A지점에서 B지점으로 이동하는 우리가 보는 움직임이 실제로 원하는 결과가 아니라는 것은 매우 그럴듯합니다. 그것은 뉴턴의 작용과 반작용 법칙의 불가피한 결과일 뿐입니다. 어떤 경우에는 동물들이 먹이를 끌어들이기 위해 이러한 소용돌이 고리를 만들고 있습니다. 그러나 그들이 그 물을 밀고 있기 때문에 반응은 그들이 그 과정에서 움직인다는 것입니다. 그래서 그들에게는 효율적인 움직임이 반드시 급하게 어딘가에 가려고 하는 것은 아닙니다.

(16:59) 우리가 할 수 있었던 것은 “소용돌이 고리 형성과 같은 아이디어를 생각해 봅시다. 우리 잠수함은 해파리처럼 먹이를 먹을 필요가 없습니다.” 예를 들어 실제 동물은 그렇지 않은데도 동일한 추진 기술을 사용하여 더 빨리 갈 수 있습니다. 이것은 정말 생물학의 암기 복사 사이의 차이점입니다. 아시다시피, 사람들이 날개를 정말 세게 퍼덕여 인간 동력 비행을 달성하려고 했던 시대로 거슬러 올라갑니다. 결국 우리는 고정 날개를 사용하고 제트 엔진을 부착함으로써 성공을 거두었습니다. 그리고 그것이 비결이었습니다. 따라서 여기에서 우리는 해파리가 하는 일을 단순히 맹목적으로 모방하는 것이 아니라 그 행동의 어떤 측면이 효율적인 추진으로 이어지는지 묻는 것에 주의해야 합니다. 그리고 빠르고 효율적인 잠수함을 설계하고 싶을 때 동물이 우리에게 준 청사진에서 벗어날 수 있습니다.

스트로가츠 (17:50): 미래형 잠수함의 설계와 관련하여 해파리에서 가져온 미친 새로운 설계를 제안할 수 있는 원칙이나 관찰이 있습니까?

다비리 (18:02): 우리는 이 질문을 탐구했습니다. 그리고 핵심은 다시 이 소용돌이 고리, 이 소용돌이치는 원형 도넛 모양의 흐름입니다. 우리가 그것을 만들 수 있지만 자연 해파리의 매우 유연한 움직임이 필요하지 않은 잠수함 디자인을 생각해 낼 수 있다면 그것이 실제로 현재 잠수함 디자인에 중요한 부가 가치가 될 수 있음을 발견했습니다. 실험실에서 이를 테스트했습니다. 그래서 당신이 할 수 있는 것은 재래식 프로펠러로 구동되는 잠수함을 가지고 뒤쪽에 기계적 부착물을 추가하는 것입니다. 뒤쪽에서 추진되는 부드러운 연속 제트 흐름 대신에 더 고르게 흐름을 생성합니다. 차량 뒤 흐름의 맥동을 생각해 보십시오. 우리는 그 차량이 흐름에 맥동이 없는 동일한 유형의 차량보다 30~40% 더 에너지 효율적일 수 있음을 보여줄 수 있었습니다.

(18:55) 이제 여기서 까다로운 부분은 지나치게 복잡하지 않은 기계 설계를 생각해내는 것입니다. 해당 부품을 너무 복잡하게 만들면 해당 구성 요소를 교체하게 됩니다. 실제로 이러한 기계 부품 자체가 차량에서 에너지를 빨아들일 수 있습니다. 그래서 우리는 지나치게 복잡한 기계적 구성 요소 없이는 해파리에서 영감을 받은 유체 역학을 달성하는 디자인을 생각해낼 수 없었습니다. 그리고 그것은 거기에서 풀리지 않은 미스터리였습니다.

스트로가츠 (19:23): 글쎄요, 우리가 해파리와 그들의 추진력을 떠나기 전에 — 저는 잠시 후에 풍력 터빈에 들어가고 싶습니다 — 하지만 저는 동물 왕국을 가로지르는 소용돌이 고리에 대해 조금 더 이야기하고 싶습니다. 곤충의 비행이나 벌새의 비행, 또는 잠자리, 매 등을 연구하는 동료들에게서 들었기 때문에 다양한 방식으로 소용돌이를 이용하는 많은 생물이 있습니다. 방금 언급한 모든 예는 물이 아니라 공중에 있습니다. 공중에 떠 있는 생물과 — 글쎄요, 수중 생물이라고는 말하지 않겠습니다. 무슨 말인지 알아? 내가 물이나 공중에 있다면.

다비리 (20:02): 네, 그래서 수중 생물입니다. 예, 그리고 우리는 피에 대해 한 단계 더 나아갈 수 있습니다. 왜냐하면 인간의 심장에서도 같은 종류의 소용돌이가 좌심실에서 형성되기 때문입니다. 산소가 공급된 혈액이 좌심방에서 좌심실로 통과할 때 말입니다. 이것은 몸의 나머지 부분을 통과하기 전입니다. 그것이 밸브를 통과하는 지점이 있고 해파리가 생성하는 것 또는 오징어가 생성하는 것과 놀랍도록 유사한 소용돌이 고리를 얻을 수 있습니다. 그래서 당신이 절대적으로 옳습니다. 이 소용돌이 루프 또는 링 모티프, 때로는 더 복잡한 사슬 구조입니다. 그러나 각각의 서로 다른 동물 시스템에서 이러한 현상이 반복되는 것을 볼 수 있습니다.

(20:26) 사실 우리 연구의 대부분은 이러한 소용돌이 고리의 디자인에 대해 배울 수 있는 몇 가지 기본 원칙이 있는지 이해하려고 노력해 왔습니다. 그리고 그것이 있다는 것이 밝혀졌습니다. 따라서 모든 소용돌이 고리는 우리가 방금 이야기한 해파리의 예와 같이 효율적인 추진에 좋은 특정 소용돌이 고리가 있다는 의미에서 동일하게 생성되지 않습니다. 그러나 단지 많은 힘을 발생시키려는 경우에 생성되는 다양한 유형의 와류 고리가 있습니다. 예를 들어 제가 정말 빨리 움직이고 싶을 때 포식자에게서 벗어나고자 하는 해파리는 조금 전에 이야기한 매우 효율적인 소용돌이 고리와 다른 소용돌이 고리를 만듭니다.

(21:15) 그래서 우리가 생각한 것은 아마도 수십 년 전 일 것입니다. 아마도 그 통찰력을 사용하여 매우 다른 시스템인 인간의 심장에서 소용돌이 고리를 이해할 수 있을 것입니다. 그래서 제가 말했듯이, 좌심실이 채워지는 동안, 여러분은 형성되는 소용돌이 고리를 얻습니다. 건강한 환자 대 확장성 심근병증, 예를 들어 확장된 심장과 같은 특정 질병이 있는 환자의 와류 고리는 건강한 환자에게서 형성된 와류 고리와 매우 다르게 보입니다. 우리가 발견한 것은 건강한 환자와 이러한 병리를 가진 일부 환자 사이에서 관찰되는 변화가 효율적으로 헤엄치는 해파리와 포식자를 피하거나 먹이를 잡으려는 해파리 사이의 차이와 매우 유사한 흥미로운 상관관계였습니다.

(22:05) 효율성 대 기능 장애의 이러한 유체 역학적 특성을 살펴보는 것의 주요 이점 중 하나는 그러한 변화가 때때로 심장의 구조적 변화 또는 다음과 같이 전신적인 전신 변화 전에 발생할 수 있다는 것입니다. 당신에게 문제가 있습니다. 그래서 우리는 이것을 보다 민감하고 조기에 진단할 수 있는 기회 또는 인체의 질병과 기능 장애에 대한 신호로 보았습니다. 그 후, 실제로 심장 내 흐름의 이러한 변화가 실제로 인간의 질병에 대한 효과적인 지표가 될 수 있음을 보여주는 다른 실험실이 있었습니다.

스트로가츠 (22:45): 와, 존, 재미있네요.

다비리 (22:47): 예, 매우 깔끔하고 예상치 못한 연결입니다. 하지만 스티브, 유체 역학에서 이 소용돌이 고리 모티프의 반복에 대한 당신의 이전 요점으로 되돌아갑니다. 그것이 공기, 물 또는 혈액이든, 그것이 수영이든, 날아다니는 유기체이든, 아니면 여기 앉아서 우리 혈액을 펌핑하는 심장.

스트로가츠 (23:06): 음, 훌륭하네요. 저는 이 마지막 의학적 사례에 정말 당황했습니다. 특히 조기 경보 시스템 및 조기 진단이 될 수 있기 때문입니다. 하지만 저는 궁금합니다. 이미징 기술이 무엇인지, 알다시피, 침전물을 심장에 넣지 않을 것입니다, 그렇죠? 우리 뭐하는거야? 그게 전부입니까? 초음파나 MRI에 나타납니까? 어떻게 보겠습니까?

다비리 (23:26): 맞습니다. 응. 그래서 초기 작업은 MRI에서 이루어졌습니다. 최근에는 초음파 기술. 현재 연구실에서 연구하고 있는 것은 잠재적으로 심지어 음향 감지입니다. 따라서 특정 유형의 와류 형성에서 혈류가 효과적으로 전자 청진기로 감지할 수 있는 소리를 갖게 됩니다. 여기서 목표는 이것을 감지할 수 있는 가장 간단한 기술을 고안하는 것입니다. 왜냐하면 모든 사람이 MRI 기계나 초음파 기계를 마음대로 사용할 수는 없기 때문입니다. 그러나 월마트에서 구입할 수 있고 이러한 유형의 변화를 감지할 수 있는 10달러에서 20달러 사이의 음향 측정 사운드 측정 장치를 상상할 수 있으며 집에 가지고 있을 수 있습니다.

(24:10) 이것이 목표입니다. 우리는 아직 거기에 있지 않습니다. 그러나 해파리가 한 일은 건강한 환자와 아픈 환자 사이에서 발생한 흐름의 변화 측면에서 무엇을 찾아야 하는지에 대한 초기 목표를 제공합니다.

스트로가츠 (24:24): 자, 이제 물 밖으로 나오도록 하겠습니다. 그리고 좀 더 효율적으로 만들기 위해 캘리포니아 알래스카에서 풍력 터빈에 대해 동료들과 함께 수행한 작업에 대해 약간 이야기를 시작하십시오. 그래서 우선 풍력 터빈이라고 하면 가장 먼저 떠오르는 이미지는 어딘가 들판 어딘가에 우뚝 솟은 거대한 흰색 프로펠러 중 하나입니다. 그것이 올바른 이미지입니까, 아니면 제 머릿속에 다른 그림이 있어야 합니까?

다비리 (24:54): 이 터빈은 다른 유형의 터빈입니다. 비록 우리 작업이 이러한 대형 터빈의 일부 문제에 의해 크게 동기가 부여되었지만. 가장 큰 문제는 개별 터빈이 바람의 움직임을 전기로 얼마나 잘 변환할 수 있는지에 대해 매우 효율적이라는 것입니다. 문제는 이러한 각 터빈의 바람이 부는 바람에 고르지 못한 공기나 난기류를 많이 생성한다는 것입니다. 그 고르지 못한 공기는 첫 번째 터빈의 바람이 불어오는 터빈의 성능을 감소시킬 것입니다.

(25:24) 그래서 저 밖에 있는 풍력 발전소 중 하나를 보면 터빈이 모두 매우 멀리 떨어져 있는 것입니다. 터빈 사이의 고르지 못한 공기가 그룹의 성능을 저하시키지 않도록 하기 때문입니다.

(25:36) 자연을 들여다보면 바다에서 물고기 무리를 짓는 것을 생각해 보면 물고기가 꼬리를 펄럭이고 우리가 부르는 대로 스스로 후류를 만들고 있다는 사실이 항상 아이러니하게 느껴졌습니다. 풍력 터빈 뒤의 고르지 못한 공기를 웨이크라고 합니다. 물고기도 이러한 웨이크를 생성합니다. 그들은 그룹으로 수영하며 가능한 한 멀리 퍼지지 않습니다. 그러나 대신 그들은 서로의 위치를 ​​조정합니다. 실제로 생성된 흐름을 활용할 수 있습니다. 따라서 전체는 부분의 합보다 큽니다. 물고기 무리가 서로 떨어져 있을 때보다 함께 헤엄칠 때 더 효율적으로 헤엄칠 수 있음을 의미합니다. 우리는 투르 드 프랑스(Tour de France) 사이클에서 이것을 봅니다. 이웃의 공기 역학을 이용하는 자전거 타는 사람을 볼 수 있습니다.

(26:17) 그래서 여기서 문제는 풍력 터빈을 설치하기 위해 작동하는 물고기 떼에 비유할 수 있는지 여부였습니다. 자, 여기 거의 우연의 일치로 제가 Caltech에서 수영과 비행의 유체 역학에 대해 강의하는 곳이 있습니다. 그리고 어류 교육에 대한 강의에서 풍력 터빈 사이의 유익한 상호 작용을 예측하는 방법에 대한 방정식을 칠판에 씁니다. 이러한 모델의 주요 기능 중 하나는 지금까지 이야기한 소용돌이입니다. 물고기가 만들어내는 소용돌이. 이러한 소용돌이 중 하나에 대한 수학적 모델은 수직축 풍력 터빈을 나타내는 방법과 거의 동일합니다.

(27:01) 잠시 멈추고 말씀드리면 프로펠러 스타일 터빈에 익숙한 풍력 터빈을 수평축 풍력 터빈이라고 합니다. 블레이드가 수평 축을 중심으로 회전하기 때문입니다. 수직축 풍력 터빈인 블레이드는 지면에서 수직으로 튀어나온 축을 중심으로 회전합니다. 예를 들어 회전목마와 같이 수직축 방식의 시스템을 들 수 있습니다. 이러한 시스템은 수학적으로 물고기 떼와 거의 동일하게 나타낼 수 있습니다.

(27:31) 그래서 제가 말했던 연관성이 있습니다. 음, 어군 유형의 오리엔테이션을 갖는 풍력 발전 단지를 설계하는 것에 대해 생각해 봅시다. 그래서 저는 연구실에서 두 명의 학생에게 그들의 프로젝트 중 하나가 주어진 토지에서 생산할 수 있는 에너지 측면에서 풍력 발전소의 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는지에 대해 봉투 뒷면을 수행하도록 했습니다.

(27:52) Steve에게 10에이커의 땅을 주고 기존의 풍력 터빈을 사용하여 최대한 많은 전기를 생산하기를 원한다고 가정해 보겠습니다. 프로펠러 스타일의 경우 해당 토지에 터빈 중 하나만 장착할 수 있습니다. 이 더 작은 수직 축 풍력 터빈의 경우 연필과 종이 계산으로 밝혀졌습니다. 이러한 효과를 활용하면 동일한 토지에서 10배 더 많은 에너지를 얻을 수 있습니다.

(28:15) 자, 그것은 훌륭한 이론적 아이디어라고 말할 수 있을 때까지 연필과 종이로 계산한 것입니다. 하지만 여기 칼텍에 와서 학과에 가서 "땅을 좀 사서 이걸 해보고 싶어요."라고 말한 것은 운이 좋았습니다. 그리고 이것은 '08-'09 시장 붕괴의 시간이었습니다. 그래서 땅을 꽤 싸게 구할 수 있습니다. 그래서 우리는 여기 LA 카운티 북부에 있는 10,000에이커의 땅을 15,000달러 또는 XNUMX달러에 구입했습니다. 그리고 우리는 이러한 수직축 풍력 터빈을 만드는 회사 중 하나와 데이터를 제공하는 대가로 터빈을 무료로 제공하는 계약을 맺었습니다. 스타트업이라면 새 터빈을 테스트하는 데 정말 많은 비용이 들기 때문입니다.

(28:54) 그래서 우리는 그 분야에 이 터빈 세트를 설치했습니다. 실제로 우리는 현장 사이트에서 약 10개를 얻었습니다. 그리고 우리는 실제 세계에서 물고기에서 영감을 받은 디자인 유형을 사용하여 토지에서 XNUMX배 더 많은 에너지를 얻을 수 있다는 것을 보여줄 수 있었습니다. 그래서 그것은 정말 흥미로운 발견이었고 우리가 오늘날에도 계속 추구하고 있는 것입니다.

스트로가츠 (29:14): 매우, 매우, 매우 흥미진진합니다. 나는 이것에 대해 들어 본 적이 없습니다. 내 말은, 나는 당신이 물고기 떼에서 영감을 받은 풍력 터빈 배치 작업을 했다는 막연한 생각을 가지고 있었지만, 당신이 이야기하는 것과 땅을 사는 것에 대한 이야기를 듣기만 해도, 내 말은, 잘 모르겠습니다. 그것은 단지 개인적인 제쳐두고입니다. 그래서 저는 제 아이디어를 테스트하기 위해 땅을 사지 않는 수학자입니다. 사람들이 크고 키가 큰 프로펠러 모양의 풍력 터빈에 대한 일반적인 비판을 생각할 때 궁금합니다. 이런 종류의 것이 더 매력적이라고 ​​생각하십니까, 미학적으로 또는 덜 매력적이라고 ​​생각하십니까? 키가 크거나 사람들의 시야를 가리지 않아도 될 것 같습니다.

다비리 (30:00): 맞습니다. 사실, 제가 스탠포드 대학에 있을 때 과학적으로 연구했습니다. 브루스 케인, 사회 과학자. 우리는 이러한 다양한 유형의 터빈에 대한 캘리포니아 태도를 연구할 수 있었습니다. 그리고 당신 말이 맞습니다. 중요한 기능으로 낮은 시각적 영향입니다.

(30:17) 그러나 더 중요한 것은 새와 박쥐에 대한 잠재적인 영향이 적다는 것입니다. 즉, 대형 터빈의 경우 계속되는 문제로 새가 칼날이나 박쥐 및 기타 영역에 부딪힐 가능성이 있습니다. 이 수직 축 풍력 터빈은 당신이 땅에 대해 말했듯이 더 낮지만 시각적인 특징도 다릅니다. 따라서 솔직히 대형 터빈의 경우 새는 너무 늦기 전에 날개를 볼 수 없습니다. 이러한 수직축 풍력 터빈의 경우 블레이드가 대형 터빈보다 더 느리게 움직이기 때문에 시각적 특징이 훨씬 더 분명합니다.

(30:54) 자, 지금까지 어디에서나 볼 수 없는 이유는 방금 말씀드린 대로 안정성을 개선하기 위해 아직 해야 할 일이 남아 있기 때문입니다. 로켓 과학이 아니라 여기 캠퍼스에 화성에 로버를 배치하는 사람들이 있습니다. 예를 들어 알래스카의 겨울을 견딜 수 있는 풍력 터빈을 설계할 수 있어야 합니다. 그러나 우리는 실제로 거기에 도달하지 못했습니다. 새로운 에너지 하드웨어를 개발하는 데 비용이 많이 들기 때문에 이러한 새로운 유형의 기술에 많은 투자가 이루어지지 않았습니다. 작업이 진행 중입니다.

스트로가츠 (31:25): 몇 가지 아이디어가 수학에서 나왔다고 언급하셨는데요. 마찬가지로, 풍력 터빈의 경우에 적용할 수 있는 물고기 떼와 관련된 수학이 있었습니다.

다비리 (31:36): 맞습니다.

스트로가츠: 나는 그 수학을 상상하려고 노력하고 있다. 조금 더 말씀해 주시겠습니까? 그것에 들어가는 수학은 무엇입니까?

다비리 (31:42): 네, 물론이죠. 예를 들어, 소용돌이에 대해 생각할 때 우리가 떠올리려고 하는 것은 소용돌이가 주변 흐름에 미치는 영향에 대한 간단한 수학적 설명입니다. 그래서 우리 분야에는 잠재적 흐름 이론이라는 것이 있습니다. 이것은 우리가 지금까지 설명한 보다 복잡한 유체 흐름의 단순화된 표현입니다. 이점은 종이 한 장에 방정식을 작성할 수 있다는 것입니다. 주어진 위치에 소용돌이가 있는 경우 소용돌이 주변의 모든 공기나 물은 다음과 같이 작동합니다. 우리는 그것을 한 줄의 수학으로 쓸 수 있습니다.

(32:19) 따라서 이 잠재적 흐름 이론의 이점은 예를 들어 왼쪽에 소용돌이가 있고 오른쪽에 소용돌이가 있는 경우 두 효과를 함께 추가하는 것만으로 서로 영향을 미치는 방식을 즉시 계산할 수 있다는 것입니다. 우리는 이것을 선형 중첩이라고 부르지만, 우리는 이 두 가지 효과를 서로 위에 추가할 뿐입니다.

(32:38) 내가 어군을 연구할 때 이것이 의미하는 바는 방정식을 한 번 작성할 수 있고 물고기 20마리의 효과를 알고 싶다면 답에 20을 효과적으로 곱할 수 있다는 것입니다. 더 복잡한 계산을 많이 합니다. 풍력 터빈의 경우 최적의 풍력 발전 단지를 설계하기 위해 풍력 터빈 중 하나를 수학적으로 표현하면 1,000개의 전체 농장을 최적화하거나 10,000개의 풍력 터빈을 원할 경우 개발할 필요 없이 최적화할 수 있습니다. 정말 새로운 수학. 따라서 이러한 시스템을 나타내는 정말 편리한 방법입니다.

(33:13) 물고기가 흘리는 소용돌이의 근본적인 수학적 표현은 수직축 풍력 터빈의 수학적 표현과 거의 동일하다는 것이 밝혀졌습니다. 그래서 어군 문제를 풍력 터빈 문제에 일대일로 매핑하는 편리함 덕분에 최적의 어군 구성을 찾기 위해 수행된 것과 동일한 수학적 최적화를 많이 빌릴 수 있었고 이를 거의 직접적으로 최적화에 사용할 수 있었습니다. 풍력 발전소.

(33:45) 유일한 차이점은 목표입니다. 물고기 무리에서 최적화는 물고기가 물 속을 이동할 때 보게 될 항력을 최소화하거나 모든 물고기가 헤엄칠 때 소비하는 에너지를 최소화하는 것이라고 말할 수 있습니다. 풍력 발전소의 경우 내 목표는 "바람으로부터 수집하는 에너지의 양을 최대화할 수 있도록" 또는 "특정 방향에서 오는 바람에 대해 내가 일하는 지역 지형에 따라 최대 바람.” 따라서 기본 수학적 기계는 동일합니다. 우리가 최적화하는 목표는 다를 수 있습니다.

스트로가츠 (34:25): 이 말을 듣는 사람은 누구나 당신이 하고 있는 일을 하는 데 필요한 마음가짐에 저처럼 충격을 받을 것이라고 생각해야 합니다. 당신이 보여주는 관심의 폭은 바람 농장의 공학, 심장 소용돌이의 의학적 측면, 그것을 이해하는 데 필요한 수학 사이를 자유롭게 이동하면서 보여줍니다. 아마도 당신은 아직 컴퓨터 과학에 대해 언급조차 하지 않았을 것입니다.

다비리 (34:50): 물론입니다. 정말 재미있습니다. 응.

스트로가츠: 좋은 태도.

다비리 (34:55): 아니요, 그렇습니다. 고등학생이나 대학교에 다니는 학생들이 인생에서 한 가지를 선택해야 한다는 인상을 받는 경우가 많다고 말하고 싶습니다. 나는 생물학을 공부할 것입니다. 아니면 화학을 공부할 것입니다. 물리학을 공부할 것입니다. 그리고 그게 문제입니다. 실제로 가장 흥미로운 연구 중 일부는 실제로 이러한 다양한 분야의 교차점에 있습니다. 따라서 다양한 분야에 익숙해지는 것이 쉬운 길이었다고 말할 수는 없습니다. 여기 Caltech에서 대학원생 첫해에 저는 생물학 수업을 들었습니다. 프랜시스 아놀드, 노벨상 수상자. 처음으로 클릭하지 않았기 때문에 수업을 두 번 들었다고 가정 해 봅시다. 동시에 새로운 관점에서 문제를 볼 수 있기 때문에 이러한 다양한 분야를 배우기 위해 고군분투할 가치가 있다고 생각합니다.

스트로가츠 (35:45): 매우 고무적입니다. 그럼 요즘 바빠서 바이든 행정부에 풍력 터빈에 대해 조언하는 일로 기어를 옮겨봅시다. 정부와 함께 하고 있는 일에 대해 말씀해 주시겠습니까?

다비리 (36:01): 네, 물론이죠. 이 자리에서 봉사하게 되어 영광이었습니다. 그리고 저는 그것이 우리 연구 목표의 어떤 특정한 것과 직접적으로 연결되어 있지 않다고 말할 것입니다. 대통령 위원회의 그룹은 우리 모두가 이 나라의 과학과 발전에 폭넓은 관심을 갖고 있다고 생각합니다. 제가 열정을 갖고 있는 한 가지 특별한 분야는 우리의 연구 인프라를 보는 것입니다. 즉, 고등학교에서 대학에 이르기까지 사람들이 우리가 지금까지 수행한 것과 같은 보다 색다른 연구 분야를 추구할 수 있게 해주는 대학원 연구 프로그램을 의미합니다. 얘기해왔습니다.

(36:39) 돌이켜보면 이러한 아이디어에 대한 긍정적인 반응을 들을 수 있어서 정말 감사합니다. 이 작업에 자금을 지원하기 위해 제안서를 처음 작성했을 때 조금 이상하게 들리기 때문에 차례로 거부되었다고 말할 수 있습니다. 해파리 유영에 관한 모든 것이 심장 진단에 도움이 될 것이라는 생각이나 물고기 떼가 우리에게 풍력 터빈에 관한 모든 것을 알려줄 것이라는 생각입니다. 너무 낯설게 느껴지고 이것이 반드시 성공할 것이라고 말할 수 있는 예가 없었습니다. 따라서 리뷰어는 일반적으로 "글쎄, 작동하지 않으면 어떻게 하지?"라는 초기 반응을 보일 것입니다. 내가 항상 생각하는 곳은 "글쎄, 효과가 있으면 어떡하지? 얼마나 멋질까요? 무엇을 열 수 있습니까?” 그리고 불행하게도 현재 우리는 일반적으로 "만약 효과가 있다면?"에 기초하여 작업에 자금을 지원하지 않습니다. 보통 "안되면 어쩌지?" 그리고 저는 그것이 대통령 위원회에서 우리가 다룰 수 있기를 바라는 정책 부분 중 하나라고 생각합니다.

스트로가츠 (37:40): 음, 캘리포니아에 계시군요. 캘리포니아에서 모두가 알고 있듯이 큰 문제는 산불입니다. 그리고 유체역학에 관심이 있는 사람이라면 생각해봤을 것이라고 생각합니다. 그것에 대해 보고할 것이 있습니까?

다비리 (37:55): 맞습니다. Biden 대통령의 과학 위원회에서 저는 과학과 기술을 사용하여 산불을 더 잘 해결할 수 있는 방법에 대해 생각하는 그룹의 공동 의장을 맡는 특권을 가졌습니다. 우리는 최근 몇 년 동안 더 빈번해지고 어떤 경우에는 특히 여기 캘리포니아에서 더 심각하다는 것을 알고 있습니다. 그러나 현재 우리가 사용하지 않는 기술이 있습니다. 예를 들어 소방관을 위한 통신, 산불의 진행을 예측하는 데 도움이 되는 AI[인공 지능], 심지어 화재가 발생하기 전에 화재 경로를 방해하는 데 도움이 되는 로봇 및 드론과 같은 기술도 있습니다. 첫 번째 응답자가 도착할 수 있습니다. 우리의 작업은 이러한 산불 사건의 부정적인 영향을 막는 데 도움이 될 수 있다고 믿는 수많은 새로운 기술을 확인했습니다. 따라서 우리는 이러한 권장 사항에 대한 연방 및 주 및 지역 차원의 조치를 기대하고 있습니다.

스트로가츠 (38:48): 유체 역학이 어떻게든 그 모든 것에 영향을 미치나요?

다비리 (38:52): 예, 유체 역학은 실제로 산불 진행의 가장 중요한 동인 중 하나입니다. 타오르는 불씨를 실어 나르는 바람을 생각해 보십시오. 바람은 불이 얼마나 빨리 움직이는지를 결정할 수 있습니다. 그래서 우리가 정말 치명적인 산불을 겪었을 때 어떤 경우에는 바람이 어떤 경우에는 시속 70~80마일이었기 때문입니다. 이러한 산불을 퇴치하기 위한 주요 과제 중 하나는 유체 역학 모델을 사용하여 미래의 화재 진행을 예측할 수 있는 것입니다. 상부 대기 데이터를 보완하려면 지상 근처의 바람에 대한 새로운 유형의 데이터가 필요합니다.

(39:31) 그러나 다른 위치를 시뮬레이션할 때 우리가 할 수 있는 것은 취약한 커뮤니티가 산불에 미리 대비하도록 돕는 것입니다. 커뮤니티의 사람들은 그 불의 앞부분을 먼저 볼 가능성이 높습니다. 예를 들어 대피 계획을 알릴 수 있습니다.

스트로가츠 (39:54): 난류를 언급하지 않고는 유체 역학에 대한 논의가 완전하지 않다고 생각합니다. 그것은 종종 고전 물리학에서 가장 큰 미해결 문제라고 불립니다. 아시다시피 제가 원하는 것은 약간의 튜토리얼입니다. 난기류의 문제? 사람들이 이해하고 싶어하는 것은 무엇입니까?

다비리 (40:12): 네. 때때로 설명하는 간단한 방법은 유체 역학에서 비행기를 설계하기에는 충분하지만 비행기가 난기류에 부딪힐 때를 알려주기에는 충분하지 않은 방식으로 유체 운동을 설명하는 일련의 방정식이 있다는 것입니다. . 그래서 우리의 유체 역학 방정식은 우리가 유체 흐름에서 볼 수 있는 아주 흔한 일들을 예측할 수 없었습니다. 집에 있는 수도꼭지를 생각하고 조금만 틀면 정말 유리처럼 보입니다. 수도꼭지를 조금 더 높이면 저절로 훨씬 더 거칠어집니다. 난류로 전환됩니다. 우리는 모든 종류의 실험실 실험에서 이것을 관찰하지만 난류로의 이러한 유형의 전환이 언제 발생하는지에 대한 명확한 이론적 설명이 아직 없습니다.

스트로가츠 (41:01): 재미있네요. 우연의 일치로, 어젯밤 — 어쩌면 우연이 아닐 수도 있습니다. 아마 무의식적으로 우리의 다가오는 토론에 대해 생각하고 있었을 것입니다. 그런데 문득 생각이 났어요 리처드 파인만물리학에 대한 그의 유명한 강의에서 — 여러분이 앉아 있는 곳에서 그리 멀지 않은 Caltech에서 — 그는 물의 흐름과 난기류의 지속적인 신비에 대해 이야기합니다. 그리고 그는 팬 위에서, 다락방 같은 곳에서 팬의 날을 보면 항상 얇은 먼지 층, 아주 작은 먼지 입자를 발견할 것이라고 언급하기도 했습니다. 팬 블레이드가 공기를 통해 엄청난 속도로 움직이기 때문에 신비해 보인다고 Feynman은 지적합니다. 그러나 그것은 그 작은 먼지 입자를 날려 버리지 않습니다. 그래서 저는 여기가 우리가 끝내야 할 곳인 것 같은 느낌이 듭니다. 저는 여러분이 일종의 현대판 레오나르도 다빈치라고 말하고 싶었습니다. 하지만 이제 나는 당신이 현대판 리처드 파인만일지도 모른다는 생각이 들기 시작했습니다.

다비리 (41:03): 언젠가 내가 그 난기류 문제를 실제로 해결할 수 있다면 그런 종류의 아이디어를 즐길 수 있을 것입니다. 하지만 지금은 예, 저는 해파리를 좋아하는 톨레도에서 온 꼬마일 뿐입니다.

스트로가츠 (42:06): 완벽해. 오늘 우리와 함께 해주신 존 다비리 씨, 정말 감사합니다.

다비리 (42:10): 만나줘서 고마워.

아나운서 (42:14): 우주 여행은 영리한 수학에 달려 있습니다. 미지의 태양계 찾기 Quanta Magazine의 새로운 일일 수학 게임, Hyperjumps. Hyperjumps는 한 외계 행성에서 다음 행성으로 로켓을 이동하기 위한 간단한 숫자 조합을 찾는 데 도전합니다. 스포일러 경고: 이길 수 있는 방법은 항상 한 가지 이상입니다. 아스트랄 산술 테스트 hyperjumps.qualamagazine.org.

스트로가츠 (42 : 40) : 이유의 기쁨 의 팟캐스트입니다. Quanta Magazine, Simons Foundation에서 지원하는 편집 독립 간행물. Simons Foundation의 자금 지원 결정은 주제 선택, 게스트 또는 이 팟캐스트 또는 Quanta Magazine. 이유의 기쁨 Susan Valot와 Polly Stryker가 제작합니다. 편집자는 Matt Carlstrom, Annie Melchor 및 Zach Savitsky의 지원을 받는 John Rennie와 Thomas Lin입니다.뿐만 아니라 Nona McKenna와 Saugat Bolakhe]. 우리의 테마 음악은 Richie Johnson이 작곡했습니다. Julian Lin이 팟캐스트 이름을 생각해 냈습니다. 에피소드 아트는 Peter Greenwood가 담당했고 로고는 Jaki King이 담당했습니다. Cornell Broadcast Studios의 Burt Odom-Reed에게 특별히 감사드립니다. 저는 호스트인 Steve Strogatz입니다. 질문이나 의견이 있으시면 다음 주소로 이메일을 보내주십시오. [이메일 보호] 듣기 주셔서 감사합니다.