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우주과학

무중력 세상

우주를 떠다니는 우주정거장, 인공위성, 유인 우주선 등에서 찍어오는 사진들을 보면 지금 우리가 살고 있는 지구의 환경과는 다르다는 것을 알 수 있다. 우주는 무중력 상태이기 때문이다. 물체에 작용하는 중력(물체와 물체 사이에 작용하는 인력(당기는 힘))의 크기가 0 인 상태를 우리는 무중력 상태라고 한다. 하지만 실제로 무중력상태에서는 중력이 “0”이 되는 것이 아니라 물체에 가해지는 무게가 “0”이 되기 때문에 무중량 상태라고도 한다.

무중력 상태

하지만 실제로 무중력상태에서는 중력이 “0”이 되는 것이 아니라 물체에 가해지는 무게가 “0”이 되기 때문에 무중량 상태라고도 한다.

무중력 상태라고 하면 대개 공기가 없는 진공상태와 혼동을 하게 된다. 우주 공간은 힘의 평형에 의해 무중력 상태이며, 완전하지는 않지만 거의 진공에 가까운 상태이다. 우주 공간에서의 대부분이 진공, 무중력이기 때문에 필연적인 연관성을 가지고 있다고 생각하기 쉬운 것이다. 우주 비행사들이 머무르는 우주선 역시 무중력이지만 진공상태는 아니다.

여러 가지 경우를 살펴보면서 무중력 상태에 대해 좀더 자세히 알아보자.

인공위성은 고유의 질량을 가지고 지구의 주위를 돌고 있기 때문에 항상 중력의 영향을 받는다. 하지만 인공위성이 지구로 떨어지지 않고 우주공간을 돌 수 있는 이유는 인공위성에 중력 외에 또 다른 힘이 작용하기 때문이다. 인공위성이 속도를 가지고 지구 주위를 돌게 되면 궤도의 바깥쪽으로 튀어나가려는 원심력이 발생하게 되는데 이 중력과 원심력이 같아져서 인공위성 안의 상태는 아무런 힘이 작용하지 않는 무중력 상태가 되는 것이다. 엘리베이터가 갑자기 내려갈 때 타고 있는 사람의 몸이 떠오르는 것과 같은 느낌을 받는 것에서 역시 무중력을 설명할 수 있다.저온으로부터 인간을 보호해주는 갑옷, 즉 우주복과 우주선이 필요하다. 이런저런 우주 용품들이 대체로 흰색을 띠는 것도 높은 온도로부터 장비를 보호해주기 위해 그런 색으로 칠해진 것이고, 그 내부에는 내열 및 단열 처리가 빈틈없이 되어 있다. 또한 1G의 중력가속도에 익숙한 인간의 몸은 우주공간에서 활동할 시 많은 문제를 일으키므로, 우주비행사 후보생은 무중력 공간에 대처하기 위한 각종 훈련을 받게 된다.

엘리베이터를 지탱하는 케이블이 끊어져서 엘리베이터가 자유낙하(아무런 영향을 받지 않고 중력의 방향으로 낙하하는 것)한다고 가정해 보자. 엘리베이터 안의 사람은 떠받들고 있던 바닥 때문에 중력의 영향을 받게 된다는 것을 알 수 있다. 하지만 엘리베이터가 자유낙하를 하게 되면 사람도 같이 자유낙하를 하게 되고 사람을 떠받들고 있던 바닥 역시 엘리베이터와 함께 자유 낙하해서 중력에 의해 몸이 힘을 받는다는 것을 느낄 수가 없게 된다. 즉, 사람의 몸은 떠있는 셈이 된다. 바로 그러한 상태가 무중력 상태인 것이다.

최근에 유행하고 있는 놀이 기구인 “자이로드롭”이란 놀이 기구도 짧은 순간이지만 무중력 상태를 경험하게 해준다. 우주 공간에서는 계속해서 무중력상태가 지속되기 때문에 놀이 기구를 탈 때의 이러한 야릇한 느낌이 지속되게 된다. 물론 공포감과 속도감에 의해 놀이기구에서의 무중력상태가 가슴을 졸이게 한다는 점에서 우주비행사들이 느끼는 무중력과는 조금 다르다.

우주 공간에서 임무를 수행하여야 하는 우주 비행사들은 무중력 상태에 익숙해야 하는데, 놀이기구와 비슷한 원리로 훈련을 하며 무중력 상태에 적응하게 된다. 이러한 훈련이 없다면 무중력 상태를 경험해 보지 못한 사람들이라면 너무도 큰 불편을 느낄 수밖에 없을 것이다.

무중력 상태에서 나타나는 현상들을 나열해 보자.

  1. 1. 사람은 걸을 때 바닥에 힘을 주어야 한다. 하지만 중력이 없다면 바닥에 힘을 주지 못하게 되고 마찰력이 “0”이 되기 때문에 걸어가지 못하며 공중에 떠다닐 수밖에 없다. 따라서 이동을 하고자 할 때는 반대 방향으로 힘을 주어 그에 대한 반작용으로 나아가게 된다.
  2. 2. 무중력 상태에선 모든 물체의 무게가 “0”이 되기 때문에 물체를 공중에서 놓게 되면 그대로 떠 있게 된다. 물을 마시려고 할 때 물이 흐르지 않고 물방울이 공중에 떠있게 되어서 지구상에서처럼 물을 마실 수가 없다. 그래서 빨대를 이용하여야 한다.
  3. 3. 물을 무중력 공간에 뿌리면 중력이 없는 상태에서의 물 분자간의 인력과 표면장력으로 인해 공 모양으로 뭉치게 된다.
  4. 4. 무중력 공간에서 어떤 물체에 힘을 주면 그 물체는 등속 직선 운동을 하게 된다.
    중력으로 인한 마찰이 없기 때문이다. 공기 분자와의 마찰이 있기 때문에 약간씩 속도가 줄어들겠지만 아주 미미하다.
  5. 5. 양초에 불을 붙여보자. 불에 의해 뜨거워진 공기는 가벼워져서 위로 올라가고 차가워진 공기는 무거워져 내려온다는 “대류”에 대해서 공부했을 것이다. 하지만 무중력 공간에서는 가볍고 무겁다는 개념이 없기 때문에 대류가 일어나질 않아서 바로 꺼지게 된다. 연소에 의해 만들어진 이산화탄소가 촛불을 감싸고 산소의 공급을 차단하기 때문이다.
  6. 6. 빨대로 물 속에 기포를 불어 넣으면 기포가 올라오지 않고 물 속에 그대로 있는 현상도 나타난다.
  7. 7. 우주 비행사의 얼굴이 붓는 현상을 볼 수 있다. 체액에 중력이 작용하지 않기 때문에 약 2L정도의 체액이 하반신에서 상반신으로 이동하는데, 70kg인 사람의 체액이 약 17L정도인 것을 감안하면 상당히 많은 양이다. 그 결과로 허벅지가 4cm 줄어들고 목이 1~2cm나 늘어난다.
  8. 8. 혈액도 중력을 받아 순환하다가 무게가 없어지면 위쪽으로 쏠리는 경향이 생기고 그 혈압에 의해 얼굴 쪽 세포가 탱탱해져서 우주비행사들의 얼굴이 붓게 된다.
  9. 9. 방향성이 없어진다. 위에서 말한 바닥이라는 개념도 마찬가지다. 위, 아래와 같은 것을 구별하기 위해서는 중력이 작용해야 하기 때문이다. 우주 비행사가 거꾸로 서있는 사진도, 거꾸로 서있는지 똑바로 서있는지 알 수 없는 것이다.
  10. 10. 우주 비행사가 몸이 고정되어 있지 않은 상태로 나사를 돌리려고 힘을 주면 나사가 아니라 몸이 돌아가게 된다.
  11. 11. 우주 비행사들은 우주에 나가면 1인치 정도의 키가 자란다. 무중력 상태에서는 척추에 작용하는 힘이 없어지기 때문에 척추의 마디에 있는 물렁뼈가 눌리지 않아 키가 자라게 되는 것이다. 이러한 효과는 우주비행사들이 지구로 귀환하면 사라진다.
  12. 12. 무중력 상태에서는 심장의 부담이 줄어든다. 혈액에 중력이 작용하지 않기 때문에 혈액을 몸 전체로 순환시키기 위해 큰 힘을 쓸 필요가 없기 때문이다. 우주궤도에서 오래 머물다 귀환하는 우주비행사들에게는 지구의 중력에 적응해야 하는 중요한 이유가 된다.
  13. 13. 무중력상태에서는 뉴턴의 운동법칙이 잘 적용된다. 중력이 없다는 것은 중력에 의한 마찰력이 없다는 것이기 때문이다.
  14. 14. 무중력 상태에서는 압력도 없고 부력(뜨는 힘)도 없으며 침전(물질이 가라앉는 현상)도 일어나지 않는다. 코르크 마개가 물에 떠있는 일도 없으며 위에서 말한 기포가 물위로 떠오르는 일도 일어나지 않는다.
  15. 15. 몸의 균형을 잡는 것 역시 힘들어진다. 귀 속에 있는 세반고리관이 방향과 위치를 느끼게 해주는데 중력이 없어지면 세반고리관이 작동하지 않아서 균형을 잡기 힘들어지고 심지어는 멀미까지 하게 된다. 이와 같이 무중력 상태라는 것은 사람에게 편리할 수도 있고, 지구와는 다른 낯선 환경이므로 불편할 수도 있다. 하지만 이러한 무중력상태를 이용해서 많은 실험들이 이루어지고 있으며, 사람에게 유익한 것들을 만들어내는데 무중력상태가 많은 도움을 준다. 그 내용은 우주 실험실 코너에서 알아보도록 하자.

우주공간의 특성

우주공간은 대기가 있는 지구와 달리 온도차가 극심하다. 그래서 사람이 우주에서 활동하기 위해서는 우주복이 필요하고 우주공간을 비행하는 인공위성도 단열재나 반사경 등의 옷을 입혀 일정한 온도를 유지한다.

소리 없는 공간
우주에서 소리를 듣기 위해 장착한 헤드셋

소리는 음파가 물질에 부딪혀 나는 것이다. 음파는 공기 속을 전해오는 파동인데, 우리가 소리를 들을 수 있는 이유는 이 음파가 사람 귓속의 고막을 진동시키기 때문이다. 우주공간에는 물질이 거의 없는 진공상태이므로 소리가 전달되지 않는다. 물론 지구 주변의 우주공간에는 질소, 수소, 헬륨 등의 기체가 존재하지만 소리를 전달해 줄 수 있는 양은 아니다. 간혹 SF 영화 속에서 우주공간에서 로켓이 날아가거나 폭발이 생길 때 나오는 소리는 영화를 위해 각색된 것이다.

우주쓰레기와 우주먼지
정지궤도에서 바라본 지구 주위 우주쓰레기들의 위치우주먼지의 충돌로 부서진 우주왕복선 조종실의 창문

지구를 둘러싼 우주공간에는 수명이 다한 인공위성, 발사체가 분리되는 과정에서 나온 부속품, 인공위성 간 충돌로 인해 생긴 파편처럼 쓸모없는 ‘우주쓰레기’가 떠돌고 있다. 우주쓰레기는 초속 8~11km로 총알보다 빠르게 움직이기 때문에 운용 중인 인공위성에게 큰 위험 요소가 된다. 우주공간을 떠도는 우주쓰레기는 수백만 개에 이른다. 지름 10cm를 넘는 것만 2만 3000개 이상이고, 지름 1cm가 넘는 작은 물체까지 포함하면 50~60만 개 이상으로 추정된다.

우주공간에는 우주먼지도 있다. 우주먼지란 주로 지구 근처를 떠도는 소행성이나 혜성에서 떨어져 나온 미세한 파편을 뜻하며, 암석, 광물, 금속으로 이뤄진 작은 알갱이로 구성된다. 우주먼지는 지구로 빨려 들어와 대기권에서 타버리기도 하지만, 우주쓰레기처럼 우주공간을 떠돌며 인공위성을 위협하기도 한다.

또 다른 위험 우주방사선
우주에서 바라본 태양

우주공간은 공기가 없는 거의 진공이라 태양에서 나온 전자기파와 방사선이 지구 근처로 그대로 도달한다. 그래서 이것들이 또 다른 위험요소로 등장한다. 특히 우주방사선은 인간의 몸과 위성의 전자장비에 치명적인 영향을 가할 수 있다. 이 때문에 태양 활동이 활발해져 우주공간에 방사선 양이 많이 발생하는 날에는 우주 유영이 금지된다.

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