우주에서 물건이 떠다니는 것은 중력이 없기 때문이다

영화를 보거나 인터넷을 돌아다니다보면 우주인들이 이렇게 둥둥 떠다니는 것을 볼 일이 꽤나 있었을거다.

그리고 그걸 본 동생이나 애들은 이렇게 물을 것이다: "저사람들은 어떻게 저렇게 둥둥 떠다녀요?"

아마 이 질문에 높은 확률로 "우주에는 중력이 없어서 그렇단다" 라고 우리는 대답할 것이다.

그렇다면 과연 이 말은 맞을까, 틀릴까?

만약 이세상에 아무 힘이 없다면 하늘을 향해 날아가는 로켓은 그대로 슝~ 하고 사라질거다.

이를 등속운동, 혹은 등속직선운동이라고 부른다.

뉴턴의 제 1법칙이라고도 불리며 이는 "외부에서 힘이 가해지지 않는 한, 모든 물체는 정지하나 등속직선운동을 유지한다" 를 의미한다.

그러나 우주선은 직선으로 움직이지 않는다. 지구에 종속되어 원형, 혹은 타원형의 궤도를 그릴 뿐.

그렇다면 우주선은 왜 지구 궤도에 종속되어있는거고 우주선 내부에서 물건은 왜 둥둥 떠다니는걸까?

답은, 우주선이 움직이는 만큼 지구의 중력이 우주선이 등속운동을 하는 것을 방해하고 힘의 방향을 절묘하게 바꾸어, 결과적으로 우주선이 원운동을 하는 것처럼 만드는 것이다.

그러므로 우주인들이 둥둥 떠다니는 것은 중력이 없기 때문이다, 혹은 우주선이 무중력 상태이기 때문이다 라고 하는 것은 틀린 말이다.

잠깐, 우주선은 그냥 하늘 위로 날아올라가서 우주에 닿는게 아닌가요?

사실 지상에서 우주선이 하늘 위로 슝 올라가는건 지구의 지표면은 대기로 가득차있기에 빠르게 기동하면 대기의 저항을 받아 제대로 속력을 내지 못하므로, 대기가 희박한 고고도로 올라가기 위해 처음에만 하늘로 올라가는거고, 대기의 영향에서 어느정도 벗어나면 지구와 평행하게 날아가기 시작한다.

아무렇게나 가속하는 것은 아니다. 만약 로켓에 연료가 너무 없으면 가다가 떨어질 것이고, 로켓이 너무 강력하면 로켓은 지구를 벗어나 심우주로 날아가버릴 것이다.

그래서 과학자들은 얼마나 가속해야 우주선이 지구에 붙어있을 수 있을까 연구를 했고 이를 "우주 속도" 라고 이름붙였다.

제 1 우주속도는 어떤 물체가 추락하지 않고 궤도에 붙어있을 수 있게 하는 속력이다.

지구의 1 우주속도는 7.9km/s 이기에 만약 로켓이 7.9km/s 미만으로 움직이면 지구로 떨어질 것이다.

제 2 우주속도는 어떤 물체가 천체에서 탈출하지 않고 원운동을 하게 만드는 속력이다.

지구의 제 2우주속도는 11.2km/s 이기에 이 속력 미만이면 지구에 간신히 붙어있을 수 있고 속력을 초과하면 지구에서 탈출해 태양궤도를 돌게 한다.

그래서 우주인들이 우주에서 둥둥 떠다니는게 중력이 없어서 그런거라는건 알겠는데, 그럼 왜 떠다니는거고 무중력이라는 틀린 용어 대신 어떤 말을 써야할까?

지표면에서 우리가 체중계 위에 올라갔을 때 80kg 이라고 뜨는 이유는 물체에 중력이 작용하기 때문이다.

즉, 지표면에서 중력에 대항하는 다른 힘이 없기 때문에 체중계는 내가 80kg이요, 하고 말을 할 수 있는 것이다.

그러나 우주선에서는, 기본적으로 우주선은 "매 순간 떨어지고 있기 때문", 혹은 "매 순간 자유 낙하하고 있기 때문이다".

그렇다면 우주선은 왜 떨어지지 않냐고? 앞서 이야기했듯, 초당 7.9km 이상의 속력으로 중력에 대항해 움직이고 있기에 추락하는 방향이 바뀌어 원운동을 하고 있기 때문이다.

그래서 우주인들은 매 순간을 자유낙하 중이기 때문에 무중량상태가 되는 것이라고 해야 정확할 것이다.

그러므로 "우주에는 중력이 없어서 저렇게 무중력상태가 되는 거란다" 라는 틀린 대답 말고 "우주인들은 계속 떨어지고 있기 때문에 무중량상태에 빠진 거란다" 라고 보다 더 정확한 대답을 해주도록 하자.

끝

+덤

우주에서 양초에 불을 붙이면 지구에서와 달리 불이 구형으로 켜진다. 이는 컬럼비아의 STS-107 임무 중 SOFBALL 임무로 밝혀진 사실인데 이유가 뭘까?

지구에서는 뜨거운 공기는 부피가 커지면서 밀도가 낮아져 "위"로 올라가고 차가운 공기가 위로 움직이는 뜨거운 공기의 빈자리를 메우기 위해 움직이면서 대류하기 때문에 우리가 잘 아는 물방울 모양의 불꽃을 보여준다.

반면 무중량 상태에서는 중력의 영향을 받지 않아 뜨거운 공기가 향하는 방향이 "윗쪽"으로만 한정되지 않게된다. 결과적으로 불꽃은 모든 방향으로 퍼져나가려고 하며 이때문에 불꽃은 구형을 띄게 되는 것이다.