무중력 상태는 편안할까?

안녕하세요 니~킥입니다.

오늘은 무중력 상태에 대해 알아보겠습니다.

 

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무중력 상태는 편안할까?

일상적으로 사용하는 '무중력'이란 단어는 무중력 체어, 무중력 모드 등, 힘이 전혀 들지 않는 굉장히 편안한 상태를 이르는 말로 유행이 되었습니다. 이런 무중력 의자는 하체로 향하던 하중을 분산시키고 척추가 느끼는 무게감을 최소화하여 편한 느낌을 줍니다.

 

무중력은 정말 편안한 상태일까?

그런데, 무중력은 정말 편안한 상태일까요? 어뜻, 중력을 거슬러 무게감을 느끼지 못하는 정말 편안한 상태처럼 보입니다. 하지만, 결론부터 말하자면 무중력은 '자유낙하'처럼 떨어지고 있는 것과 같은 상태로 결코 편안한 상황이 아니라고 합니다. 사람에 따라서는 참을 수 없는 불편한을 느낄 수도 있고, 심하게는 멀미와 구토를 유발하기도 합니다. 우리는 모두 이 불편한 느낌을 간접적으로 한 번쯤은 느껴 봤을 것 같습니다. 바로 놀이동산의 바아킹, 롤러코스터, 자이로드롭 같은 것입니다. 어떤 이들은 이 잠깐의 불편함에 오히려 스릴을 느끼기도 합니다.

 

주구의 중력에 묶여 평생을 사는 우리는 비롯한 모든 생명체들은 태어나면서부터 중력을 느기고, 우리의 행동과 우리가 만들어낸 물건, 건축물과 구조물 등 모든 것이 지구 중력에 맞춰져 있습니다. 우리의 신체 또한 지구 중력에 알맞게 진화했습니다. 그렇기에 너무나 익숙한 나머지 일상생활에서 지구 중력을 의도적으로 의식하며 살아가지는 않지만, 우리의 모든 일상 리듬에 중력의 힘이 작용하고 있습니다. 도, 이중력의 힘은 우주의 모든 별과 행성을 만들고, 지구의 모든 에너지 근원인 태양을 빛나게 해 주고, 지구에 대기를 붙잡아 우리가 숨 쉴 수 있는 환경을 만들어주었습니다.

 

무중력은 무게가 '0'이 되는 상태

무중력은 말 그대로 중력이 없다는 것이 뜻이 아니라 중력이 상쇄되어 무게가 '0'이 되는 조건을 말합니다. 일상생활에서는 질량(mass)과 무게(weight)를 구분 없이 사용하기도 하지만, 물리적인 측면에서는 서로 다르게 정의됩니다. 질량은 물질의 양을 나타내는 것으로 더하거나 덜어내지 않으며 우주 어디에서나 변하지 않는 양입니다.

반면, 무게는 중력에 의해 끌려가는 정도를 나타내는 양으로, 지구에서 60kg의 무게를 가진 사람이 달에서 체중계 위에 올라간다면, 중력이 1/6로 줄어들어 10kg으로 측정됩니다. 엄밀하게는 무게의 단위를 kg이 아니라 kgf로 중력가속도가 곱해진 단위를 써야 하지만, 우리가 지구 밖에 나갈 일은 없으니 일상생활에서는 무게, 질량을 구분 없이 사용하고 단위도 kg만 표기합니다.

 

'무게 = 질량 × 중력가속도'라는 식에 의해 지구에서는 중력가속도 '1G'를 곱하여 질량과 같은 60kg이 되고, 달에서는 '1/6G'를 곱해 10kg이 됩니다. 여기서 물체가 받는 중력가속도를 '0'으로 만들 수 있을까요? 그것은 바로 떨어지는 것입니다. 이것은 스마트폰 앱으로도 쉽게 측정할 수 있습니다. 중력가속도 측정 앱을 설치하고 스마트폰을 떨어뜨려봅니다.

스마트폰을 그대로 두면 중력가속도는 지구 중력가속도인 1G로 측정되고, 낙하를 시키면 0G가 되어 무중력을 경험한 스마트폰이 됩니다. 바닥에 닿았을 때의 순간은 원래 무게의 7배에 해당하는 힘으로 내리친 것과 같은 7G가 측정됩니다. 스마트폰을 떨어뜨리면 안 된다는 것이 설명이 되었겠죠?

 

추락하는 것은 날개가 있을지는 몰라도 무게는 없다!

추락하는 엘리베이터

엘리베이터 바닥에 고정된 체중계가 있습니다. 나의 체중은 평소와 같게 측정됩니다. 엘리베이터가 하강하면 체중계의 바늘은 약간 낮아지고, 상승하면 약간 높아집니다.

이런 일이 있어서는 안되겠지만, 사고실험이니 이제 엘리베이터의 줄을 끊어 보겠습니다. 그러면, 엘리베이터도 체중계도 나도 같이 떨어집니다. 엘리베이터의 바닥도 같이 떨어지니 발을 딛고 지탱할 것이 없어지고, 체중계의 측정값은 '0'이 됩니다. 중력은 여전히 작용하여 엘리베이터와 내가 낙하하고 있지만, 무게가 '0'이 되어 중력을 느끼지 못하는 것뿐입니다. 무중력 상태가 되는 것입니다.

 

사과도 낙하하고, 달도 낙하하고 있다!

지구상에서 떨어트린 사과는 지구 표면을 향해 낙하합니다. 지구 주위를 도는 달도 지구를 향해 낙하하고 있습니다. 사과와 달리 다른 점이 있다면, 달은 낙하와 동시에 지구 표면과 나란하게 움직이고 있다는 것입니다. 나란하게 움직이고는 있지만 어쨌든 낙하하고 있으니, 지구 표면과 가까워지고 언젠가는 지구와 달이 충돌을 할 것입니다. 만약 지구가 평평하다면 말이죠!

하지만 지구는 둥굴고, 달이 낙하한 양과 지구의 곡률에 의해 휘어진 표면의 양이 같아, 달은 지구와 닿지 않습니다. 달은 지구를 향해 낙하하지만, 영원히 지구 표면에 닿지 않습니다. 오히려 1년에 38mm식 멀어지고 있다고 합니다. 떨어지는 사과도 지구 주의를 공전하는 달도 지구에 대해 무중력 상태인 것입니다.

 

대기 마찰이 없다고 가정한다면, 사과도 달과 같이 땅에 닿지 않게 할 수 있는 방법이 있습니다. 사과를 던져 떨어지는 곡률이 지구 곡률과 같아질 수 있도록 충분히 빠른 속도로 던지면 그렇게 할 수 있습니다. 이것이 바로 뉴튼이 했던 사고 실험입니다.

 

달에 가 있는 우주인은 지구에 대한 자신의 무게를 느끼지 못하고 달의 중력에 의한 무게만을 느낍니다. 지구에 대해 부중력 상태이기 때문입니다. 그리고 우리는 태양으로 낙하하고 있지만, 태양의 중력과 태양에 대한 무게를 느끼지 못합니다. 달은 지구로, 지구는 태양으로, 태양은 우리 은하의 중심으로 낙하하고 있습니다.

 

국제우주정거자(ISS) 사람들

지구 근처의 수많은 인공위성과 국제우주정거장도 같은 원리로 지구를 돌고 있습니다. 지구 중력이 작용하기에 낙하하고 있지만, 국제우주정거장과 안에 머무는 우주인들은 지구에 대한 중력을 느끼지 못하는 상태가 됩니다. 이들은 자신의 몸무게가 0kg이 되는 무중력에 적응하기 위해 훈련을 받아야 합니다. 반대로 지구에서 출발할 때 6G 이상의 중력가속도를 버텨내기 위한 훈련도 포함된다고 합니다.

무중력 적응을 위한 지구에서의 훈련은 저중력 항공기(Reduced-gravity aircraft)를 이용하는데, 일정 고도까지 올라가고 다시 내려오는 포물선 항로를 정점 부근에서 수십 초의 무중력을 경험하게 됩니다. 보통 한번 비행에 40~60회 정도는 반복하고, 훈련생들의 일부는 반복되는 무중력(Aero-Fravity) 구간에서 구토와 멀미를 유발한다고 해서 이 비행을 '구토 혜성(Vomit comet)'이라는 별명으로도 부른다고 합니다.

 

이렇게 적응한 우주인들은 수백 km 상공에서 영원히 땅에 닿지 않을 자이로드롭을 타고 낙하하면서 밥도 먹고, 잠도 자고, 연구도 해야 하며, 운동도 해야 합니다.

편안함을 강조하기 위해 언어적인 비유나 유행어처럼 무중력이란 단어를 사용해도 잘못된 것은 아닙니다. 하지만, 과학적으로 무중력은 결코 편안한 상태가 아니라는 것입니다.

 

자료 = 과학기술정보통신부

 

 

 

 

 

그럼 여기까지 무중력 상태에 대해 알아보았습니다.

감사합니다.