Ⅰ. 연구동기
물리시간에 아인슈타인의 특수상대성 이론과 일반 상대성 이론에 대해서 배웠다. 옛날부터 과학책을 읽으면서 어렵지만 신비롭다고 생각했었기 때문에 수업을 집중하여 들었었고 그 중 자유 낙하에 의한 무중력 상태에 대한 얘기를 선생님께 듣고 매우 신기하다고 생각하였다. 선생님께서는 엘리베이터에서의 자유낙하를 통해 엘리베이터가 떨어지는 가속도가 중력 가속도와 같아져 그 반대 방향으로 같은 크기의 힘인 관성력이 작용해 무중력상태가 된다고 설명해주셨다. 어려운 내용이었지만 그만큼 신기해서 무중력에 대해서 관심을 가지게 되었고 무중력 상태라는 건 정확히 무엇인지, 무중력 체험에는 어떤 원리가 있는지 궁금하여 이번 연구에서 알아보고자 하였다.
Ⅱ. 연구 내용
1. 무중력 상태의 정의
ㄱ. 무중력 상태의 정의
무중력 상태(gravity free)는 만유 인력과 관성력이 서로 상쇄되어 그 합력이 0으로 간주 될 수 있는 정도로 작아지고 있는 상태를 말한다. 즉, 겉보기 무게가 0이 된다는 것이다. 흔히 무중력 상태를 중력이 없는 상태(zero gravity)라고 생각 할 수 있는 데, 실제로 무중력 상태는 중력을 느끼지 못하는 것을 뜻하며 상대적으로 중력이 지표면상의 1/1000~1/10000 정도로 작은 경우엔 특별히 미소중력(microgravity)라 하기도 한다. 이러한 경우는 주변에 질량을 가진 물체가 없을 때, 항성, 행성 등 질량을 가진 물체로부터 매우 멀리 떨어져 만유인력의 법칙에 의한 힘의 크기가 매우 극소할 때이며 무중력을 경험할 수 있게 된다.
중력을 느낀다고 말할 때, 사람들은 지구가 잡아당기는 중력을 느끼는 것이 아니라 ‘중력에 대항하는 힘’을 느낀다. 이는 이러한 중력에 대항하는 힘이 없다면, 중력이 여전히 존재하고 있더라도 이른바 ‘중력을 느끼지 못하는’ 상황이 된다는 뜻이데, 이때가 바로 ‘무중력 상태’이다.
ㄴ.무중력 상태에서의 현상
무중력상태에서는 중력에 의한 마찰력이 없기 때문에 뉴턴의 운동법칙이 쉽게 적용된다. 따라서 이동을 하고자 할 때는 반대 방향으로 힘을 주어 그에 대한 반작용으로 나아가게 된다. 또한 무중력 상태에선 모든 물체의 무게가 “0”이 되기 때문에 물체를 공중에서 놓게 되면 그대로 떠 있게 되고, 방향과 위치를 느끼게 하는 귀 속의 세반고리관이 중력이 없어지면 작동하지 않기 때문에 균형을 잡기 힘들어지며 심지어는 멀미까지 하게 된다.
사람은 지표면에서 사는 데 가장 적합하도록 신체가 구성되어 있기 때문에 무중력상태가 오랫동안 지속된다면, 인간의 다양한 생리시스템에 문제가 발생한다. 가장 보편적으로는 우주경험을 한 사람의 45% 이상이 경험한 우주적응증후군으로 구토, 두통, 현기증, 불안감 등이 있다. 또한 무중력 상태에서는 관절에 있는 연골에 하중이 걸리지 않게 되어 키가 약간 커지게 된다. 그러나 이것은 상대적으로 관절이 약해지는 것을 의미한다. 본래 인간의 근육과 뼈는 중력을 통해 단단해지는데 오랫동안 무중력 상태가 되면 근육과 뼈의 칼슘, 미네랄은 한 달에 1.5퍼센트 이상 빠져나가게 되고 결과적으로 쉽게 분해된다.
ㄷ.일상생활에서 무중력 상태의 예
번지 점프, 자이로 드롭, 바이킹은 자유낙하에 가깝게 떨어진다. 떨어지기 시작하는 높이가 아주 높으면 더 긴 시간의 무중력 체험을 할 수 있지 않을까 하고 생각해 볼 수도 있지만, 여기에는 공기 저항이라는 문제가 있다. 더 많이 떨어질수록 떨어지는 속도가 더 커지는데, 떨어지는 것을 방해하는 공기 저항도 이와 함께 커져 속도가 더 커지는 것을 방해한다.
트램펄린은 뛰어 오르는 순간에는 속도가 위로 향하지만, 중력은 위로 올라가는 사람을 아래로 잡아당겨 올라가는 속도를 점점 줄인다. 그러다 아래로 떨어지는 방향으로 속도가 바뀌는 순간이 오는데 이때 가장 높은 위치에 도달한다. 이때부터는 밑으로 떨어지는 속도가 점점 커진다. 모든 과정이 중력이 아래로 당기기 때문에 일어나는 움직임이다. 움직이는 속도가 너무 빠르지 않으면 공기저항도 작아 중력이 당기는 대로 움직이는 ‘자유낙하’에 가깝게 된다. 트램펄린 위에서 뛰는 것도 이와 비슷해 공중에 머무르는 동안에는 중력에 대항하는 힘이 거의 없는 무력에 가까운 상태를 경험한다. 트램펄린에서 수직 방향이 아닌 일정 각도로 뛰면 뛴 사람은 공중에서 포물선 모양을 그리며 움직인다. 중력은 위, 아래로 움직이는 속도에만 영향을 줄 뿐, 지면과 평행한 수평 방향의 속도에는 영향을 주지 않기 때문에 위로 올라가는 속도는 점점 줄어들어 다시 아래로 향하게 되고, 수평 방향으로 움직이는 속도는 그대로 유지돼 포물선 모양을 궤적을 그리게 되는 것이다.
2. 무중력 상태의 구현
ㄱ. 무중력 상태의 조건
- 자유낙하(free fall)
자유낙하란 중력에 의해서만 낙하하는 상태로 중력에 대항하는 힘 없이 중력이 당기는 대로 주위의 모든 것과 함께 같이 떨어질 때 만들어진다. 이 상황에서 떨어지는 물체는 중력에 대항하는 힘을 주지 않아도 되어 ‘중력에 대항하는 힘’이 없는 상태, 즉 ‘무중력 상태’가 된다. 자유낙하 상태에서는 처음엔 높이만 있고 속력이 없기 때문에 위치 에너지만 갖고 있다. 낙하하기 시작하면서 높이는 점점 낮아지므로 위치 에너지는 감소하나 속력이 커지므로 운동 에너지가 증가하기 시작한다. 이러한 에너지의 전환에 의해 자유 낙하하는 물체는 떨어질수록 속력이 커지는 가속도 운동을 하는 것이다. 지면에 도달하기 직전에 위치 에너지는 모두 운동 에너지로 전환되어 가장 빠른 속력을 갖게 된다.
지표면 근처에서 지구 중력이 균일하다고 가정하면, 지구 중력을 받아 자유낙하하는 엘리베이터 속에 있는 사람은 무중력을 경험할 수 있다. 지구 중력 자체는 0이 아니지만 엘리베이터는 지구 중력가속도 값과 같은 크기의 가속도로 떨어지고 있으므로 지구 중력의 방향과 반대 방향으로 중력과 같은 크기의 관성력이 작용하게 되어 겉보기 중력이 0이 되는 것이다. 즉, 자유낙하하는 엘리베이터 속에서는 저울의 눈금이 0을 가리키게 된다.
ㄴ. 궤도 우주 비행
지구 400km상공에서 돌고 있는 국제우주정거장(ISS)에서는 무중력 상태가 유지되는데, 이러한 경우도 자유낙하의 원리가 적용된다.
인공위성은 지구 주변의 궤도를 도는 원운동을 하는 데 이 원운동은 속력은 일정하고 방향은 끊임없이 변하는 가속도 운동이다. 이러한 우주선의 가속도운동에 의한 효과와 지구 중력에 의한 효과가 상쇄되어 무중력상태를 유지하는 것으로, 자유낙하하는 엘리베이터 속의 무중력상태와 같은 원리이다. 여기서 인공위성 내부에 있는 조종사들을 생각해보면 인공위성과 같이 방향이 바뀌는 가속도 운동을 하게 되므로, 인공위성에 대한 상대속도는 항상 0이 된다. 따라서 우주선 안에 있는 조종사들은 중력을 느끼지 못하는 무중력 상태가 된다.
이러한 방법을 통해서는 며칠에서 몇백일까지 체류하면서 무중력 체험을 할 수 있다. 하지만 그만큼 엄청난 양의 비용과 훈련이 필요하다.
ㄷ. 준궤도 우주 비행
고도 100km 이상의 상공까지 올라가는 비행으로 이 정도 높이의 상공에서는 공기 저항이 거의 없다. 가장 높은 고도에 이르는 시점 전후의 일부 구간에서 우주선의 추진력을 사용하지 않으면, 우주선은 포물선 모양의 궤적을 그리는 자유낙하를 한다. 이때 우주선 안에 있는 사람은 중력에 대항하는 힘이 없는 무중력 상태에 있게 된다. 또한 우주선이 더 큰 속도를 낼수록 포물선 자유낙하 시간이 길어진다. 자유낙하 시간을 길게 하기 위해서 속도를 내는 구간에서는 중력보다 더 큰 추진력을 내기 때문에 이 추진력을 느끼는 우주인은 지표면보다 더 큰 중력, 즉 고중력을 느낀다. 포물선 자유낙하 이후에도 착륙하기 위해서 속도를 줄일 때도 중력보다 더 큰 추진력을 사용하기 때문에 고중력을 느낀다.
준궤도 우주비행은 궤도 우주비행보다 훨씬 짧은 몇 분 동안만 무중력을 체험할 수 있다. 이 방식의 우주여행을 상업적으로 추진하는 민간업체가 제시하는 우주여행 상품 가격은 25만 달러로, 약 원화 2억5000만원이다.
이와 비슷한 '제로G'라는 무중력 체험 프로그램도 비행기가 포물선 모양으로 자유낙하 하는 원리를 이용한다. 고도 10km 정도까지 올라가기 때문에 공기 저항을 피할 수는 없지만 엔진으로 낼 수 있는 추진력을 사용해 공기 저항에서 오는 속도 변화를 상쇄시킬 수 있다. 따라서 자유낙하에 가까운 상황을 인위적으로 만들 수 있고, 이때 비행기와 비행기 안에 있는 사람은 중력에 대항하는 힘이 없는 자유낙하를 하게 되어 비행기 안에서 무중력 상태를 경험할 수 있다. 여기에 더해 밀폐된 비행기 안에서는 번지점프나 자이로드롭처럼 바람을 가를 일이 없어 그만큼 무중력에 더 가까운 상황을 경험할 수 있다.
이러한 프로그램은 우주인들이 우주에서의 무중력 상태를 경험하는 훈련에 사용되는 것으로 무중력을 체험할 수 있는 시간이 30초에 못미칠 정도로 짧다는 것이 단점이지만, 한 번 비행에 무중력 체험을 여러 번 할 수 있고, 비행 방법에 따라 달이나 화성의 중력과 같이 저중력 상태도 만들 수도 있다는 장점 또한 가지고 있다. 2000년대에 들어 일반인에게 상업적으로 무중력 체험 프로그램을 제공하고 있기도 하다. 20여 초의 무중력 체험을 10회 이상 하는 상품의 가격이 약 5000달러 정도로, 한화 500만 원이 조금 넘는 정도이다.
Ⅲ. 연구 결과
무중력 상태는 만유 인력과 관성력이 서로 상쇄되어 그 합력이 0으로 간주 될 수 있는 정도로 작아지고 있는 상태를 말하며 중력에 대항하는 힘이 없다면, 중력이 여전히 존재하고 있더라도 이른바 ‘중력을 느끼지 못하는’ 무중력 상태가 된다. 무중력 상태의 조건인 자유낙하란 중력에 의해서만 낙하하는 상태로 중력에 대항하는 힘 없이 중력이 당기는 대로 떨어지는 상태이다. 이러한 현상을 이용한 예로는 일상생활에서 자이로드롭, 바이킹, 번지점프, 트램펄린 등이 있다. 또한 인공위성의 가속도 운동으로 인해 지구의 만유인력, 즉 구심력과의 힘이 상쇄되어 무중력 상태를 느낄 수 있는 궤도우주비행, 포물선 운동을 통해 자유낙하를 하면서 무중력 상태를 느낄 수 있는 준궤도 우주비행을 통해 무중력 상태를 오랫동안 체험 할 수 있다.
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