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2021년 10월 23일 (토) 19:57 판
무중력(Zero gravity, Gravity-free)은 물체에 외부 접촉에 의한 변형력이 작용하지 않는 상태를 의미한다. 무중력은 힘으로서의 중력(gravitational force)이 "0"이 아니라 중력(gravity)이 다른 힘과 상쇄되어 그 힘의 합계가 거의 "0"이 되는 상태를 의미한다. 다른 표현으로 무게(weight)가 0이 되는 상태를 의미한다.
개요
무중력상태는 만유인력과 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 상 대적으로 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
무중력 상태에서의 현상
무중력 상태에서는 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 무중력 상태가 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 연7골에 하중이 걸리지 않게 되어 키가 약간 커지돌담소리 게 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
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.
자유낙하와 무중력
지상에 존재하는 모든 물체는 지구 중력에 의한 무게(힘)를 잴 수 있다. 예를 들면, 지구 중력이 물체를 지구 중심으로 당기고 있지만, 저울 바닥이 위로 미는 힘이 중력(힘)과 평형을 이루어 물체가 정지한 경우, 저울 바닥이 위로 미는 힘이 바로 물체에 작용하는 중력(힘)과 같기 때문이다. 일반적으로 지표면에서 1 kg의 질량을 가진 정지한 물체는 지구 중심 방향으로 9.8 N의 힘을 받고 있다.
지표면 근처에서 지구 중력이 균일하다고 가정하면, 지구 중력을 받아 자유낙하(free fall)하는 엘리베이터 속에 있는 사람은 무중력을 경험할 수 있다. 지구 중력 자체는 0이 아니지만, 지구 중력가속도 값과 같은 크기의 가속도로 떨어지고 있으므로 엘리베이터 바닥에 의한 변형력이 작용하지 않기 때문이다. 즉, 자유낙하하는 엘리베이터 속에서는 저울의 눈금이 0을 가리키게 된다.
중력이 균일하지 않은 경우 자유낙하하는 물체의 위와 아래에 작용하는 중력이 다르므로 내부 변형력이 작용하게 된다. 엄밀한 의미에서 지표면 근처에서 자유낙하하는 사람이 받는 지구 중력은 높이에 따라 차이가 있으므로 완벽한 무중력상태는 아니지만 그 차이가 매우 작아서 무시할 수 있다. 반면 블랙홀(black hole) 주위와 같이 중력의 위치에 따른 변화가 매우 큰 환경에서는 자유낙하하는 물체도 위아래로 변형력을 받아 늘어지게 되므로 무중력상태가 아니다.
가속운동과 무중력
위로 가속운동하는 엘리베이터 속에서 무게를 재면 그 값이 커지는 경험을 할 수 있다. 이는 지구 중력(힘) 외에 엘리베이터의 가속운동이 무게를 증가시키기 때문이다. 중력이 거의 없는 우주 공간에서 빠르게 자전하는 우주선 내부 벽에 위치한 사람이 우주선 벽이 미는 힘에 의한 무게를 경험할 수 있는 것도 같은 원리이다. 즉 가속운동에 의해서도 변형력이 작용할 수 있음을 의미한다. 아인슈타인은 이러한 사고실험을 통하여 가속운동 시 작용하는 관성질량(inertial mass)과 중력(힘)에 작용하는 중력질량(gravitational mass)이 같다는 등가원리(equivalence principle)에서 출발하여 일반상대성이론(theory of general relativity)을 정립하게 된다.
지구 중력에 의해 자유낙하하는 물체가 받은 변형력이 0이 되는 것은 (무중력상태가 되는 것은) 지구 중력에 의한 영향과 가속도(acceleration)에 영향이 상쇄된 결과이다. 지구 주위를 회전하는 우주선 내부 우주인도 무중력상태를 경험한다. 하지만 이 경우에도 우주선 내부에서 지구 중력 자체가 0이라는 의미는 아니다. 지구 중력에 의한 효과와 우주선의 가속운동에 의한 효과가 상쇄되어 무중력상태를 유지하는 것으로, 자유낙하하는 엘리베이터 속의 무중력상태와 같은 원리이다.
무중력상태 구현
우주인 훈련, 과학 실험 및 영화 촬영에 필요한 무중력상태 구현을 위해 비행기가 많이 이용되고 있다. 비행기가 상승과 하강을 반복하는 과정에서 무중력상태가 구현되는데, 일반적으로 약 2시간 정도의 비행 시간 동안 약 25초 간격의 무중력상태를 50회 정도 경험할 수 있다. 비행기의 경우 빠르게 상승하다가 하강으로 방향을 바꾸는 과정에서 무중력상태를 구현한다. 공기와의 저항을 무시할 경우 위로 던져진 물체는 올라가다가 정지한 후 방향을 바꾸어 떨어지는 과정에서 지구 중력에 의한 가속운동을 하므로 무중력상태가 되는 것과 같은 원리이다.
지상에서는 수직으로 놓인 진공관 내에서 자유낙하(free fall)를 이용해 무중력상태를 구현하고 있지만, 진공관 바닥 도달 직전에 실험 장치를 감속하는 과정에서 인간이 견딜 수 있는 중력의 한계를 넘어서므로 인간이 직접 이 장치를 이용할 수는 없다. 건강한 인간이 감속 과정에서 견딜 수 있는 한계는 지구 중력가속도의 약 20배인데, 지상에 존재하는 무중력 실험 장치의 경우 약 65배까지 도달하는 것으로 알려져 있다.
다른 방법으로 수조 속에서 부력을 이용해서 무중력상태와 유사한 상태를 구현하고 있지만, 무중력상태와는 차이가 있다. 수조 속 평형상태에서는, 비록 위와 아래 방향의 힘이 상쇄되어 우주인이 움직이지 않기는 하지만, 힘이 골고루 분산되어 모든 방향에서 우주복을 통해 우주인을 압박하기 때문이다. 또한, 액체의 점성(viscosity)에 의한 효과도 진공(vacuum)에서는 존재하지 않는다.
참고자료
- 〈무중력〉, 《물리학백과》
- 빛구름, 〈무중력 상태를 만드는 방법과 원리〉, 《네이버 블로그》, 2019-10-20
같이 보기
