거인이 될 수 없는 이유, 체적과 면적의 차이

영화에서나 '진격의 거인'같은 만화에서는 다양한 거인이 등장합니다. 사람의 경우 키가 크더라도 2m 남짓인데요. 우리의 몸이 이보다 더 커진다면 어떤 문제가 발생할 수 있을지 알아보겠습니다.

(출처: pixabay)

 

1. 역학적 문제의 발생, 발목에 가해지는 부하

  거인으로 변한다고 했을 때, 인간의 키가 10배 커지면, 체중은 체적에 비례하므로 10×10×10=1000배가 됩니다. 반면, 체중을 떠받치는 발바닥의 면적, 관절에서 뼈끼리의 접촉 면적 등은 10×10=100배 밖에 되지 않습니다. 따라서 발바닥과 관절에 걸리는 압력은 거인이 되기 전 보다 10배 커지게 됩니다. 현실적으로 직립 보행조차 할 수 없는 상태가 될 것입니다.

 

2. 열의 문제

  인간의 세포는 세호호흡을 통해 항상 일정량의 열을 발생시킵니다. 특히 체온 항상성 조절을 위해서는 주로 근육 조직에서 필요시 열을 발생시킵니다. 반대로 체온을 낮춰야 하는 경우에는 이 열을 피부 표면에서 몸 밖으로 방출해 몸 안에 열이 쌓이지 않게 합니다. 여기서 문제가 발생합니다. 몸이 10배 커지면, 발생하는 열도 체적에 비례해 10×10×10=1000배 늘어납니다. 반면에 방출하는 열의 양은 신체의 표면적에 비례하므로 10×10=100배밖에 되지 않습니다. 거인이 된다면 발생하는 열의 양에 비해 열을 방출하는 피부 면적의 비율이 적기 때문에 체온 항상성 유지에 실패해 죽게 될 것입니다.

 

3. 혈액 순환의 문제

  혈액이 우리 몸 곳곳에 전달되야 하는 문제가 있습니다. 몸의 크기가 10배가 되면, 밀어 올려야 하는 혈액의 체적(무게)은 1000배가 되기 때문에 1000배의 힘이 필요합니다. 반면에 심장이 혈액을 밀어 올리는 힘은 심장의 근육인 심근으로 결정되는데, 이는 심장 근육을 이루는 근섬유의 수, 결국 근육의 단면적에 비례합니다. 따라서 심장의 펌프 기능은 100배밖에 되지 않게됩니다. 거인에게는 훨씬 더 발달한 큰 심장이 필요하며, 그렇지 않을 시 뇌에 산소와 영양소 공급 부족으로 살아갈 수 없을 것입니다.

(출처: pixabay)

  같은 이유로 목이 긴 기린은 혈액을 머리까지 올리기 위해 강력한 힘으로 혈액을 펌프 한다고 합니다. 그래서 항상 고혈압 상태로 살아가게 됩니다. 사람이 거인화가 된다면 특단의 조치가 필요할 것이고, 고혈압에 시달릴 수 도 있을 것 같습니다.

 

- 스케일 효과

  앞서서 인간의 몸 구조를 그대로 유지한 채 거인처럼 거대해지기는 어려운 이유에 대해 알아보았습니다. 결국 그 이면에는 물체의 크기 차이로 인해 작용하는 힘과 물체의 특성 자체가 바뀌는 '스케일 효과'가 깊이 관여하고 있었습니다.

스케일 효과에서 면적과 체적의 관계

  위 그림처럼 한 변이 1㎝인 정육면체의 체적은 1㎤입니다. 이 정육면체의 한쪽 면의 넓이는 1㎠입니다. 이번에는 한 변이 10㎝인 정육면체를 보겠습니다. 체적은 10을 세번 곱해서(10×10×10) 1000㎤, 단면적은 10을 두 번 곱해서(10×10) 100㎠입니다. 즉, 한 변의 길이가 10배가 되면 체적은 1000배가 되지만, 단면적은 100배밖에 되지 않게 됩니다. 이것이 스케일 효과입니다.