무중력 상태를 만드는 방법과 원리
Ⅰ. 연구 동기
물리시간에 아인슈타인의 특수상대성이론과 일반상대성이론에 대해 배웠다. 예전부터 과학책을 읽으면서 어렵지만 신비롭다고 생각했기 때문에 수업을 집중해서 듣고 그 중에서 자유낙하에 의한 무중력 상태에 대한 이야기를 선생님께 듣고 매우 신기하다고 생각했다. 선생님은 엘리베이터로부터의 자유낙하를 통해 엘리베이터가 떨어지는 가속도가 중력가속도와 같아지고, 그 반대 방향으로 같은 크기의 힘인 관성력이 작용해 무중력 상태가 된다고 설명해 주었다. 어려운 내용이었지만 그만큼 신기하고 무중력에 대해 관심을 갖게 되면서 무중력 상태라는 게 정확히 무엇인지, 무중력 체험에는 어떤 원리가 있는지 궁금해서 이번 연구에서 알아보고자 했다.Ⅱ. 연구내용
- 무중력상태의 정의
- a. 무중력 상태의 정의 무중력 상태(gravity free)는 만유인력과 관성력이 서로 상쇄되어 그 합력이 0으로 간주될 정도로 작아져 있는 상태를 말한다. 즉 외모의 무게가 0이 된다는 것이다. 흔히 무중력 상태를 중력이 없는 상태(zerogravity)라고 생각할 수 있지만 실제로 무중력 상태는 중력을 느끼지 못하는 것을 의미하며 상대적으로 중력이 지표면 상의 1/1000~1/10000 정도로 작을 경우 특별히 미소중력(microgravity)이라고 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 할 때 사람들은 지구가 당기는 중력을 느끼는 것이 아니라 ‘중력에 대항하는 힘’을 느낀다. 이는 이러한 중력에 대항할 힘이 없다면 중력이 여전히 존재하더라도 이른바 ‘중력을 느낄 수 없는’ 상황이 된다는 뜻인데 이때가 바로 ‘무중력 상태’다.
- b. 무중력 상태에서의 현상 무중력 상태에서는 중력에 의한 마찰력이 없기 때문에 뉴턴의 운동 법칙이 쉽게 적용된다. 따라서 이동을 하고자 할 때는 반대 방향으로 힘을 주어 그에 대한 반작용으로 나아가게 된다. 또 무중력 상태에서는 모든 물체의 무게가 0이 되기 때문에 물체를 공중에 두면 그대로 뜨게 되고 방향과 위치를 느끼게 하는 귓속 세반환관이 중력이 없어지면 작동하지 않아 균형을 잡기 어렵고 심지어 멀미까지 하게 된다.사람은 지표면에서 살기에 가장 적합하도록 신체가 구성돼 있기 때문에 무중력 상태가 오래 지속되면 인간의 다양한 생리 시스템에 문제가 발생한다. 가장 보편적으로는 우주 경험을 한 사람의 45% 이상이 경험한 우주적응증후군으로 구토, 두통, 어지럼증, 불안감 등이 있다. 또 무중력 상태에서는 관절에 있는 연골에 하중이 가해지지 않아 키가 약간 커진다. 하지만 이는 상대적으로 관절이 약해지는 것을 의미한다. 본래 인간의 근육과 뼈는 중력을 통해 딱딱해지지만 오랫동안 무중력 상태가 되면 근육과 뼈의 칼슘, 미네랄은 한 달에 1.5% 이상 빠지게 돼 결과적으로 쉽게 분해된다.
- c. 일상생활에서 무중력 상태인 예번지 점프, 자이로 드롭, 바이킹은 자유낙하에 가깝게 떨어진다. 떨어지기 시작하는 높이가 매우 높으면 더 오랜 시간의 무중력 체험을 할 수 있지 않을까 생각할 수도 있지만 여기에는 공기저항이라는 문제가 있다. 더 많이 떨어질수록 떨어지는 속도가 더 커지는데, 떨어지는 것을 방해하는 공기저항도 이와 함께 커져 속도가 더 커지는 것을 방해한다.트램펄린은 뛰어오르는 순간에는 속도가 위로 향하지만 중력은 위로 올라가는 사람을 아래로 당겨 올라가는 속도를 점점 줄인다. 그러다 아래로 떨어지는 방향으로 속도가 달라지는 순간이 오는데 이때 가장 높은 위치에 도달한다. 이때부터는 아래로 떨어지는 속도가 점점 커진다. 모든 과정이 중력이 아래로 당기기 때문에 일어나는 움직임이다. 움직이는 속도가 너무 빠르지 않으면 공기저항도 작고 중력이 당기는 대로 움직이는 ‘자유낙하’에 가까워진다. 트램펄린 위에서 달리는 것도 이와 비슷해 공중에 머무는 동안에는 중력에 대항할 힘이 거의 없는 무력에 가까운 상태를 경험한다. 트램펄린으로 수직 방향이 아닌 일정 각도로 달리면 달린 사람은 공중에서 포물선 모양을 그리며 움직인다. 중력은 위아래로 움직이는 속도에만 영향을 줄 뿐 지면과 평행한 수평방향 속도에는 영향을 주지 않기 때문에 위로 올라가는 속도는 점점 줄어들어 다시 아래로 향하게 되고 수평방향으로 움직이는 속도는 그대로 유지되어 포물선의 형태를 궤적을 그리게 되는 것이다.
- 2. 무중력상태 실현
- a. 무중력 상태의 조건-자유낙하(freefall) 자유낙하란 중력에 의해서만 낙하하는 상태에서 중력에 대항할 힘없이 중력이 당겨진 채 주위의 모든 것과 함께 떨어질 때 만들어진다. 이 상황에서 떨어지는 물체는 중력에 대항할 힘을 주지 않아도 돼 ‘중력에 대항할 힘’이 없는 상태, 즉 ‘무중력 상태’가 된다. 자유낙하 상태에서는 처음에는 높이만 있을 뿐 속도가 없기 때문에 위치에너지만 가지고 있다. 낙하하기 시작하면서 높이는 점점 낮아지므로 위치에너지는 감소하지만 속도가 커지므로 운동에너지가 증가하기 시작한다. 이러한 에너지의 전환에 따라 자유낙하하는 물체는 떨어질수록 속도가 커지는 가속도 운동을 하는 것이다. 지면에 도달하기 직전에 위치에너지는 모두 운동에너지로 전환되어 가장 빠른 속도를 갖게 된다.지표면 부근에서 지구 중력이 균일하다고 가정하면 지구 중력을 받아 자유낙하하는 엘리베이터 안에 있는 사람은 무중력을 경험할 수 있다. 지구 중력 자체는 0이 아니지만 엘리베이터는 지구 중력가속도 값과 같은 크기의 가속도로 떨어져 있기 때문에 지구 중력의 방향과 반대 방향으로 중력과 같은 크기의 관성력이 작용하게 돼 겉보기 중력이 0이 되는 것이다. 즉, 자유낙하하는 엘리베이터 안에서는 저울의 눈금이 0을 가리키게 된다.
- b. 궤도우주비행지구 400㎞ 상공에서 돌고 있는 국제우주정거장(ISS)에서는 무중력 상태가 유지되는데, 이런 경우에도 자유낙하 원리가 적용된다.인공위성은 지구 주변 궤도를 도는 원운동을 하는데 이 원운동은 속도는 일정하고 방향은 끊임없이 변하는 가속도 운동이다. 이러한 우주선의 가속도 운동에 의한 효과와 지구 중력에 의한 효과가 상쇄되어 무중력 상태를 유지함으로써 자유낙하하는 엘리베이터 안의 무중력 상태와 같은 원리다. 여기서 인공위성 내부에 있는 조종사들을 생각해 보면 인공위성처럼 방향이 바뀌는 가속도 운동을 하게 되므로 인공위성에 대한 상대 속도는 항상 0이 된다. 따라서 우주선 안에 있는 조종사들은 중력을 느끼지 못하는 무중력 상태가 된다.이런 방식으로는 며칠에서 수백일까지 머물면서 무중력 체험을 할 수 있다. 그러나 그만큼 막대한 양의 비용과 훈련이 필요하다.
- c. 준궤도 우주비행 고도 100㎞ 이상의 상공까지 올라가는 비행으로 이 정도 높이의 상공에서는 공기 저항이 거의 없다. 가장 높은 고도에 도달하는 시점 전후 일부 구간에서 우주선의 추진력을 사용하지 않으면 우주선은 포물선 모양의 궤적을 그리는 자유낙하를 한다. 이때 우주선 안에 있는 사람은 중력에 대항할 힘이 없는 무중력 상태에 있게 된다. 또 우주선이 더 큰 속도를 낼수록 포물선의 자유낙하 시간이 길어진다. 자유낙하 시간을 길게 하기 위해 속도를 내는 구간에서는 중력보다 더 큰 추진력을 내기 때문에 이 추진력을 느끼는 우주인은 지표면보다 더 큰 중력, 즉 고중력을 느낀다. 포물선의 자유낙하 후에도 착륙하기 위해 속도를 줄일 때도 중력보다 큰 추진력을 사용하기 때문에 고중력을 느낀다.준궤도 우주비행은 궤도우주비행보다 훨씬 짧은 몇 분 동안만 무중력을 체험할 수 있다. 이 방식의 우주여행을 상업적으로 추진하는 민간업체가 제시하는 우주여행 상품 가격은 25만달러로 약 원화로 2억5000만원이다.이와 유사한 ‘제로G’라는 무중력 체험 프로그램도 비행기가 포물선 형태로 자유낙하하는 원리를 이용한다. 고도 10km 정도까지 올라가기 때문에 공기저항을 피할 수는 없지만 엔진에서 낼 수 있는 추진력을 사용해 공기저항에서 오는 속도 변화를 상쇄시킬 수 있다. 따라서 자유낙하에 가까운 상황을 인위적으로 만들 수 있으며 이때
그림 1. 궤도우주비행, 준궤도우주비행
그림 2. 준궤도 우주비행, 제로G 비행
비행기와 비행기 안에 있는 사람은 중력에 대항할 힘이 없는 자유낙하를 하게 되며 비행기 안에서 무중력 상태를 경험할 수 있다. 이에 더해 밀폐된 비행기 안에서는 번지점프나 자이로 드롭처럼 바람을 가르는 일이 없어 그만큼 무중력에 더 가까운 상황을 경험할 수 있다. 이런 프로그램은 우주인들이 우주에서의 무중력 상태를 경험하는 훈련에 사용되는 것으로 무중력을 체험할 수 있는 시간이 30초에 미치지 못할 정도로 짧다는 것이 단점이지만 한번 비행에 무중력 체험을 여러 번 할 수 있고 비행 방법에 따라 달이나 화성의 중력처럼 저중력 상태도 만들 수 있다는 장점 또한 갖고 있다. 2000년대 들어 일반인들에게 상업적으로 무중력 체험 프로그램을 제공하고 있다. 약 20초의 무중력 체험을 10회 이상 하는 상품의 가격이 약 5000달러로 한화 500만원을 조금 넘는 정도다.
Ⅲ. 연구결과
무중력 상태는 만유인력과 관성력이 서로 상쇄되어 그 합력이 0으로 간주될 정도로 작아져 있는 상태를 말하며, 중력에 대항할 힘이 없으면 중력이 여전히 존재하더라도 이른바 ‘중력을 느끼지 못하는’ 무중력 상태가 된다. 무중력 상태의 조건인 자유낙하란 중력에 의해서만 낙하하는 상태에서 중력에 대항할 힘 없이 중력이 당겨지는 대로 떨어지는 상태다. 이러한 현상을 이용한 예로는 일상생활에서 자이로 드롭, 바이킹, 번지 점프, 트램펄린 등이 있다. 또한 인공위성의 가속도 운동에 의해 지구의 만유인력, 즉 구심력과의 힘이 상쇄되어 무중력 상태를 느낄 수 있는 궤도우주비행, 포물선운동을 통해 자유낙하를 하면서 무중력 상태를 느낄 수 있는 준궤도우주비행을 통해 무중력 상태를 오랫동안 체험할 수 있다.
j. 출처
< 무중량 상태-위키백과 > https://ko.wikipedia.org/wiki/%EB%AC%B4%EC%A4%91%EB%9F%89%EC%83%81%ED%83%9C < 무중력-네이버 지식백과 > terms.naver.com/entry.nhn?docId=2075938&cid=42352&categoryId=42352 : // https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3537206&cid=58577&categoryId=58577 <자유낙하-네이버 지식백과 > https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=3537017&cid=58577&categoryId=58577https