無 重 力 / Zero Gravity
1. 개요
인간을 비롯한 모든 물체의 중량(무게)이 0이 된 상태. 중량이 0이므로 표면에서 살짝 뛰어오르기만 해도 허공에 둥실 떠오르며, 공기가 있는 환경이라면 공중을 헤엄치듯 날아다닐 수도 있다.[1] 지구 궤도를 공전하는 국제우주정거장이나 우주왕복선의 우주비행사들이 보여주는 허공 헤엄치기가 바로 이 무중력 상태에서의 움직임이다.2. 용어 문제
무중력 상태는 실제로는 중량(무게)이 없는 상태지 중력이 없는 상태가 아니다. 즉 올바른 표현은 무중량 상태이며 무중력 상태라는 표현은 부정확하다. 자유낙하 상태, 즉 물체가 지구의 중력가속도와 동일한 가속도로 낙하하는 상태에서 중량이 0인 상태를 가리킨다면 이는 무중량 상태라고 불러야 한다. 지구 궤도를 공전하는 우주정거장의 우주비행사들이나 비행기에서 뛰어내린 스카이다이버 등은 이런 무중량 상태에 있다.이처럼 '무중력'은 대표적인 잘못된 과학용어 중 하나로, 무중량상태(weightlessness)로 용어를 바로잡으려는 노력도 있으나 많은 사람들은 과거 용어를 그대로 사용하고 있다. 무중력은 영어의 zero-gravity[2]를 우리말로 옮긴 용어이며 이 영어 용어 역시 잘못된 용어이므로 weightless로 바꾸려 노력하고 있다.
무중량 상태라는 말을 직관적으로 이해할 수 있는 사람은 많지 않다. 지표면에서 태어나 평생을 지구 중력의 영향을 받으며 살아가는 사람들로서는 무게와 질량을 구별해야 할 이유가 거의 없으며 중력과 중량을 구별해야 하는 상황도 거의 없기 때문이다.
대중의 인식에서의 '무중력 상태'는 일반적인 지상 수 킬로미터에서의 자유낙하 상태와 달리 '겉보기로 떨어진다는 느낌과 공기저항 느낌이 없어야한다'는 전제가 무의식적으로 깔려있다. 즉, 스카이다이빙이나 윙슈트의 경우 공기저항으로 인해 180km/h 이상의 칼바람을 맞아가며 자세를 잡아야하기 때문에 이 상태 자체가 과학적으로는 무중력(무중량) 상태일지 몰라도 '무중력 상태'라는 단어를 이해하는 대중 인식과는 거리가 멀다. 국제우주정거장의 경우 등속 원운동에 근접한 운동을 하고있으므로[3] 지구 중력과 원심력이 평형을 이루고 있으며 공기저항은 우주정거장 선체가 받고 있기에 우주정거장 내부에 거주하는 우주인들은 자유 유영이 가능한 것이다. 대중은 이러한 우주인들의 모습을 무중력 상태로 이해하고 있다.
그러나 표준국어대사전에는 '무중력'만 표준어로 등재되어 있으며 '무중량'이라는 단어는 기술주의 사전에만 등재되어 있다. 표준어 개정 전까지는 대중매체를 비롯한 주요 언론에서는 '무중력'이라는 단어를 계속 사용할 가능성이 높다. 비슷한 예로 반비례가 있는데, 반(反)비례는 비례의 반대가 아니며 역수 관계임을 고려하여 '역비례'라고 써야 한다는 주장이 있어, 표준국어대사전에는 반비례와 역비례 모두 표준어로 등재되어 있다.
다시 말해 무중력은 엄연한 표준어이므로 (예를 들어 이과 과제나 논문에) 무중력이란 용어를 사용해도 감점 요인이 되지 않는다.
3. “무중력” = 자유낙하
스카이다이빙(비행기처럼 높은 곳에서 낙하산을 매고 뛰어내리는 스포츠) 중에는 허공에서 헤엄을 치듯 움직일 수 있으며, 마치 체중이 0인 것처럼 공중에 떠 있는 것처럼 보인다. 이를 자유낙하 상태라 부른다. 자유낙하(freefall)란 말 그대로 어떠한 다른 힘에도 영향을 받지 않고 자유롭게 낙하하는 것이다. 예를 들어 아이언맨처럼 로켓으로 추진하며 하늘을 날아갈 경우 추진력이 있으므로 자유낙하가 아니다. 비행기 역시 엔진이 추진력을, 날개가 양력을 만들어내므로 자유낙하가 아니다. 스카이다이버도 일단 낙하산을 펼치면 공기저항에 의한 감속력이 발생하므로 더 이상 자유낙하하지 않는다.[4]우리가 말하는 무중력은 이 자유낙하 상태이다. 낙하라는 표현만 봐도 알겠지만 자유낙하 상태에서도 중력은 엄연히 존재한다(중력이 없다면 낙하할 리가 없으니). 자유낙하 상태에서 사라지는 것은 중력이 아니라 중량(몸무게)이다. 스카이다이버가 비행기에서 체중계를 들고 뛰어내려, 낙하 중에 체중계에 올라선다면(?) 체중은 몇 킬로그램일까? 당연히 0킬로그램임을 직관적으로 이해한다면 자유낙하 = 무중량 상태(소위 “무중력”)임을 이미 이해한 것이다.
지구 궤도에 떠있는 국제우주정거장, 인공위성, 우주쓰레기 등등은 모두 자유낙하를 하고 있다. 즉 스카이다이빙을 하고 있는 것이다. 다만, 평범한 스카이다이버는 비행기에서 뛰어내려 그냥 지상을 향해 거의 수직으로 떨어지지만(물론 나름대로는 수평으로 신나게 날아간다고 생각하겠지만), 지구 궤도에 머무르는 자유낙하 물체들은 수평 이동 속력이 초속 수 킬로미터에 달하는(시속이 아니다) 초고속으로 수평으로(즉 지표면에 평행으로) 이동 중이다.
그런데 지구는 공처럼 둥글기 때문에, “지표면에 평행으로 수평 이동”이란 표현은 문제가 있다. 스카이다이버나 보통 비행기 정도의 속도라면 이는 큰 문제가 되지 않으며 지구가 평면인 것처럼 생각해도 상관 없지만, 초속 수 킬로미터 수준의 고속 이동에서는 지구 표면의 곡률을 감안해야 한다. 이만큼 빨리 수평 이동을 하면, 지표면의 곡률 때문에 지면이 그만큼 낮아지기 때문이다. 즉 이렇게 고속으로 수평 자유낙하하면 “낙하”를 하는 만큼 지면은 멀어지고, 스카이다이버는 지면에 영영 도달하지 않는다. 즉 지구 주위를 뱅뱅 돌게(공전) 된다. 이처럼 지평선을 향해 영원히 끝나지 않는[5] 스카이다이빙을 하고 있는 것이 우리가 말하는 무중력인 것이다.
많은 이들이 “로켓을 발사해 지표면에서 일정 고도에 도달하면 더 이상 지구 중력이 미치지 않는 무중력의 우주 공간에 도달한다”고 오해하는데, 이는 로켓을 지표면에 수직으로 세워 발사하기 때문에 빚어지는 오해다. 우주 로켓은 처음엔 수직으로 발사되지만 곧 수평으로 자세를 바꿔 날아간다. 만약 정말로 로켓을 수직으로 쏘아올리면 그 로켓은 연료가 떨어지는 즉시 낙하를 시작해 지표면으로 되돌아오게 된다. 우주선이나 인공위성 등이 지표면으로 떨어지지 않고 지구 주위를 도는 것은 지표면에서 멀리 떨어져있기 때문이 아니라 지구 주위를 고속으로 공전하고 있기 때문이다.
이 공전 속도, 즉 수평 이동 속력이 더 빨라지면, 지구의 인력을 벗어나 지구에서 튀어나가게 된다. 지구 궤도를 공전하고 있는 우주정거장과 인공위성들은 수평속력과 지구의 인력( 구심력)이 서로 균형을 이루도록 속도가 정해져 있다. 예를 들어 국제 우주정거장은 초속 7.66킬로미터로 지구 주위를 공전하며, GPS 위성들은 약 초속 3.1킬로미터로 공전한다. 이처럼 지구 인력(중력)에 이끌려 떨어지지 않고 우주에 머무르거나 우주로 튀어나갈 수 있는 속력을 우주속도라 하며, 이에 대한 자세한 내용은 탈출 속도 문서를 참조하자.
자유낙하가 곧 무중력 상태이므로 지상 근처에서도 적절한 환경만 갖추면 일반인도 무중력 상태를 안전하게 느껴볼 수 있다. 자이로드롭같은 자유낙하 형태의 놀이기구로 잠깐이나마 무중력 상태를 경험해볼 수 있다.
4. 진정한 무중력
일단 중력이 전혀 작용하지 않는 곳은 없다. 우주에 인력이 작용하는 물체가 있는 이상 거리가 아무리 멀어져도 중력의 세기는 0에 가까워질 뿐 절대로 0이 되지 않기 때문.[6]지구 근처에서는 지구의 인력( 중력)을 벗어날 수 없으며 태양계 내에서는 태양의 인력을 벗어날 수 없다. 태양의 인력을 완전히 벗어나려면 정말 먼 거리를 여행해야 한다.[7] 인류가 만든 어떤 탐사선도 아직 태양의 인력을 완전히 벗어나지 못했다.[8]
지구, 달, 태양 등등과 같은 천체는 그 주변에 있는 모든 물체에 항상 인력(중력)을 미치기 때문에[9], 물체가 아무리 먼 거리에 있어도 영향을 미치며 이를 차단할 방법은 없다. 우리 은하의 중심이 태양계에서 얼마나 멀리 떨어져있는지(약 25,000광년) 생각해보자. 이렇게 먼데도 태양계는 은하 중심의 중력권에 있으며 그 주위를 공전하고 있다. 즉 진정한 무중력은 없는 것이다.
그 대신이라긴 뭣하지만, 여러 중력원[10]들의 중력이 서로 상쇄되는 위치에서는 마치 중력이 없는 것처럼 느껴진다. 예를 들어 지구에서 발진한 우주선이 지구를 등지고 태양을 향해 150만 킬로미터를 날아가면, 지구와 태양의 인력이 서로 상쇄되는 지점에 도달하게 된다. 이 지점은 무중력은 커녕 지구와 태양의 중력이 모두 작용하고 있지만, 이 두 천체의 중력이 서로 균형을 이루는 지점이기 때문에 마치 무중력인 것처럼 느껴지며 이곳에 우주선을 세워두면 지구나 태양으로 끌려가지 않는다. 이런 지점을 이 개념을 착안한 사람의 이름을 따서 라그랑주점이라 부른다. 라그랑주점에는 종종 천체가 머무르는데 큰 천체들의 중력이 상쇄되는 지점이다보니 다른 천체에게 끌려가는 일 없이 살아남기 좋은 것이라 그런 모양이다. 라그랑주점에 위치한 천체들은 트로얀이라 부른다.
인간도 라그랑주점에 우주 망원경 등을 올려놓곤 한다. 일반적인 지구 공전 궤도와 달리 라그랑주점에 놓아둔 인공위성은 궤도 수정을 위해 추진제를 분사할 일이 적어 좋다. 유럽의 가이아 우주 망원경, 미국의 제임스 웹 우주 망원경 등이 대표적이다.
5. 수직항력 = 중량(무게)
이 개념을 이해한다면 무중량의 개념을 더욱 확실히 이해할 수 있다.우선 질량과 중량(무게)의 차이를 이해하자.
질량은 모든 물질(물체)가 가지고 있는 근본적인 성질이며 이는 중력, 인력 등등과 아무 관계가 없다. 이는 해당 물질(물체)을 구성하는 분자의 분자량, 더 나아가 그 원자의 원자량에만 좌우된다.
중량은 질량을 갖고 있는 모든 물체[11]가 지구처럼 중력을 갖고 있는 천체에 가깝게 있을 때 그 중력에 이끌리는 힘(가속도)이다. (물론 꼭 지구처럼 덩치가 커야만 중력이 있는 것도 아니고, 위에서 언급했듯 천체에 가깝게 있어야만 중력이 작용하는 것도 아니지만, 이해하기 쉽게 일단 이런 경우만 생각하도록 하자.) 이 힘은 지구의 중심 방향으로 작용하며 우리가 서 있으려는 힘에 대해 저항으로 작용하는 힘이기 때문에, "수직항력"이라 부른다. 즉 중량을 달리 부르는 이름이 수직항력이다. 우리가 중력을 느끼는 것은 수직항력을 느끼는 것이며, “중력을 느낀다”는 것이 바로 중량이다.
수직항력이 0이라는 말을 다르게 표현하면 내 몸무게가 0이라는 말과 같다.[12] 예를 들어, 추락하는 엘리베이터처럼 중력이 작용하는 공간을 자유낙하하거나 궤도상의 인공위성의 내부와 같이 중력에 의한 가속도를 느끼지 못하는 것. 무중력(zero gravity)과는 의미가 다르다. 실제로는 주위 물체에 의한 중력의 영향이 매우 적은 상태라고 보는게 정확하다. 사실 물리학적으로 지구(그리고 다른 물체들)의 중력장은 우주 끝에서도 미세하게나마 영향을 주기 때문에 우주 어디에도 진짜로 중력의 영향이 없는 공간은 존재하지 않는다. 중력은 거리 제곱에 반비례하므로 유한한 거리에서는 결코 0이 되지 않는다. 따라서 정확히 하자면 '무중량 상태'가 맞는 표현이지만 잘 쓰이지도 않고 쉽게 와닿지도 않아서인지 그냥 '무중력 상태'라고 하는 편.
주로 우주선에서 이런 현상이 자주 발견되며 무중력에 익숙하지 않은 사람은 행동하는데 상당히 불편함을 겪기 때문에 지상에서 우주비행사들을 훈련시킬 때는 부력이 작용하는 수중에서 훈련시키거나(이건 주로 우주복을 입고 하는 행동을 훈련할 때) 고공으로 띄운 비행기를 자유낙하시켜 훈련시키는(이건 우주선 안에서 활동하는 방법을 훈련할 때) 방법을 쓴다. 한 때 SBS에서도 방송되었는데 로스코스모스의 Il-76을 수직에 가깝게 하강시켜 30초~1분간 무중력 상태를 체험해볼 수 있다. B747을 사용한 NASA의 항공기도 존재한다. 이것을 영어로 Vomit Comet이라고도 하는데 이는 ' 구토 혜성'이란 뜻이다.
6. 겪는다면?
겉보기에는 꽤 즐거워 보일지 모르지만 정작 당사자 입장에선 상당히 괴로운 편이다. 우선 지구 중력에 맞춰진 전정기관이 무중력 상태에 빠지면 시각과 균형감각이 맞지 않아 우주멀미를 경험하게 되며,[13] 다리에 집중되던 무게가 없어져 전문 용어로는 버드 레그, 문페이스 현상이 일어난다. 즉 다리는 엄청나게 가늘어지고, 얼굴은 엄청나게 부어서 말랑말랑해진다. 거기에 며칠만 있다가 지상으로 와도 몸이 한없이 무거워진다. 물에 오래 있다가 바깥으로 나가면 물 먹은 솜처럼 무거워지는 것 그 이상의 괴로움이라고 보면 된다.우주비행사들이 지구로 귀환하게 되면 바로 일종의 휠체어에 태워지게 되는데, 우주에서 힘을 별로 안 쓰다가 힘이 작용하는 지구에 오게 되면 힘을 많이 써야 하기 때문. 귀환을 해도 중력이 있는 환경에 적응을 못 해 무의식적으로 물건을 떨어트리기도 한다. 8초경에는 펜을 집는 과정에서 컵을 떨어뜨렸고, 23초경에는 들고있던 펜을 손에서 놔 떨어뜨렸다. 그리곤 물건이 안 보이자 아주 자연스럽게 밑이 아닌 위를 먼저 쳐다보는 모습을 보여주었다. "멍청한 중력 같으니(Stupid gravity)"라고 되뇌이는 건 덤. 더 웃긴 건, 분명히 컵을 떨어뜨렸을 때 꿍 하는 큰 소리가 났음에도 끝까지 모르고 있다가 공중에 컵이 안 보이니까 그때서야 비로소 자신이 실수했다는 것을 알아차렸고, 알아차리는 데도 꽤 시간을 소요한다. 단, 영상 설명에도 쓰여있듯 이 장면은 실제 인터뷰가 아닌 연출된 장면으로 나사 존슨 우주센터에서 This is jsc라는 이름으로 제작한 다큐멘터리이다. 위 내용은 다소 과장이나 풍자가 섞여있음을 감안할 것.
그렇다고 해도 우주에서 오랫동안 생활하던 우주인들이 중력에 적응하지 못하는 경우는 실제로 있는 일이며 허구는 아니다. 인터뷰 내용에 따르면 오렌지 주스를 잔에 따르고 있었는데 다른 사람에게도 나눠주려고 잔을 공중에서 그냥 휙 밀어버렸다고. 우주였으면 제대로 전달됐겠지만 당시에는 지구에 있었으므로 결과는 와장창.
단순히 느낌만 그런 게 아니라 근육과 뼈에 상당히 많은 영양소가 빠지게 되며 근력도 약화된다. 그래서 우주식은 상당히 고칼로리이며 장기간 체류하는 우주선에는 운동 시설이 있어서 의무적으로 운동을 해야 한다.[14]
관절의 압박이 없어지면서 헐거워지기 때문에 키가 자란다. Skylab에서 생활한 한 우주인은 키가 무려 5cm나 자랐다고.
먹는 것은 대부분 국물이 있는 요리는 먹기 힘들며 있어도 상당히 걸죽하게 나온다. 그래서 대부분 튜브 형태로 된 요리가 많다.[15] 가루가 날리는 음식은 못 먹는다고 보면 된다.
소변을 그냥 눴다간 일직선으로 날아가기 때문에 전용 흡입구가 있어야 하며 샤워도 밀폐 공간에서 해야 한다. 볼펜 등도 중력이 없으면 잉크가 내려오지 않아서 못 쓰는데 연필조차 흑연 가루가 날릴 수 있어서 못 쓴다. 그래서 미국이 막대한 돈을 들여 우주에서 쓸 수 있는 펜을 만드는 동안 소련은 연필을 썼다는 말은 개그라 보면 된다. 연필 문서에서 보면 소련은 크레용을 썼다고 한다. 결국 나중엔 소련도 우주펜을 도입한다.
인간이 중력에 속박된 것을 감사히 여겨야 한다는 말이 나올 만큼 어려운 편에 속하는 게 무중력 상태의 생활이다.
6.1. 여담
무중력 상태의 생식활동 실험을 도마뱀붙이 가지고 했는데 파충류 대원 전원 폐사란 결과를 얻었다. 사실 별건 아니고 온도조절 장치가 고장나서 죽은 것 같다고... 그에 반해 함께 보낸 초파리들은 번식에 성공했다고 한다.나사는 공식적으로나 비공식적으로나 우주에서의 생식활동 실험은 시도해본적이 없다고 했다.
러시아에서도 소유즈 계획을 추진하면서 우주에서의 남녀간 생식활동 실험을 검토한 적이 있는데 실현 되지는 않았다고 한다.
인간의 생식활동을 무중력 상태에서 하기에는 이론적으로도 상당히 힘든데, 무중력 상태에서는 지구에서만큼 발기가 잘 안 되기 때문이다. 그리고 발기가 된다고 하더라도 생식활동을 시험하려면 남녀 우주비행사들 간에 동의를 얻어야 되는데, 동의를 구하는 것도 쉬운 일이 아니고, 무엇보다 무중력 상태에서 여자가 임신하면 어떻게 될지 모른다. 즉, 이론상으로도 힘들고 실제 상황에서는 성공했다고 치더라도 임신이라는 위험한 변수가 있다.
OK Go는 무중력상태를 이용해 심히 아름다운 뮤직비디오를 찍은 적이 있다.
참고로 OK Go답게 CG 없이 원테이크로 촬영된 뮤직비디오이다. 다만 자유낙하 상태를 1회 유지할 수 있는 시간은 30초로 제한되어 있기 때문에 중간에 다시 상승하는 구간에서는 의자에 앉아서 빨리감기로 넘기는 방식으로 촬영했다고 한다. 중간에 물건들이 떨어지거나 사람들이 고정물체를 붙잡고 있는 부분에서 확인할 수 있다. 만약 영상 길이만큼 자유낙하 상태를 유지하려면 최소 성층권과 중간권을 뚫어야 한다. 단순하게 s=5t², t=180(3분)으로 계산하면 최소 162 km 이상은 상승해야 한다는 결론이 나온다.
NASA는 새를 우주로 보내려는 실험을 검토했었는데 식도에 연동작용이 없어서 중력이 없으면 먹이를 못 먹는 건 둘째치고 자꾸 부리를 아래로 떨궈 지면만 쳐다봐서 그만 두게 되었다. #
[1]
진공 환경에서는 반작용(예: 로켓 분사) 없이는 움직일 수 없다.
[2]
'zero'는 개념적으로 얘기하면 아무 것도 없다(nothing)는 뜻이 아닌 양(+, plus/positive)과 음(-, minus/negative) 사이에서 정확히 중간 위치에 해당된다. 지구 중력을 예로 든다면, 양(+)의 중력이면 당기는 힘에 가해져 지구 중심으로 가까와지는(즉 아래로 몸이 떨어지는), 반대로 음(-)의 중력이면 지구 중심에서 멀어지는(즉, 위로 몸이 붕뜨는) 상황으로 설명할 수 있다. 따라서, zero-gravity는 중력이 없는 것이 아닌 중력이 상쇄된 상태로 이해하는 것이 타당하다.
[3]
사실 이 속도가 완전한 등속원운동의 이론값에 조금 미치지 못하는데다 지구 대기와의 마찰로 속도 자체도 점점 줄어들기 때문에 일정 간격으로 고도 상승을 위한 연료 분사를 해줘야 궤도 유지가 가능하다.
[4]
낙하산을 펼치지 않더라도 스카이다이버에게는 항력이 작용하므로 우주의 진공에서 낙하를 시적하는 게 아닌 이상에야 스카이다이버의 낙하도 엄밀히 말하면 자유낙하라고 할 수 없다.
[5]
실제로는 미세한 대기 마찰 등으로 서서히 감속해 결국 지구에 재진입한다.
[6]
우선 두 물체의 질량을 [math({m}_{1})],[math({m}_{2})],두 물체 사이의 거리를 [math(r)]이라고 하면 이 두 물체 사이의 인력은 [math(\displaystyle \frac{G{m}_{1}{m}_{2}}{{r}^{2}})]이다.하지만 두 물체의 질량이 모두 0이 아닐 경우 [math(r)]값이 얼마든 식의 값이 0이 될 수 없다.다만 중력은 빛의 속도로 전달되므로 13,700,000,000 광년 너머에는 무중력 공간이 존재할 수도 있다.
[7]
최소한 우리 은하는 벗어나야 한다.
[8]
예를 들어
보이저 1호 탐사선도 지금이라도 속력을 0으로 줄이면 태양의 인력 때문에 결국 태양으로 되돌아온다. 물론 보이저의 속력을 0으로 줄일 방법은 전혀 없지만.
[9]
애당초 “
만유인력”의 “만유”가 “어디에나 있다”는 의미이다.
[10]
질량이 있어 인력을 발휘하는 물체, 예를 들어 지구나 태양.
[11]
광자와
접착자를 제외한 모든 입자. 이 문서의 수준에서는 몰라도 되는 내용이다.
[12]
질량과 무게는 다르다
[13]
온갖 전자기기와 배선이 오밀조밀하게 깔린 우주선 내에서 토했다가는 심각한 사고가 일어날 수가 있기 때문에 우주인들은 계속 빙글빙글 돌아가는 의자에서 지시에 맞춰 머리를 움직이는 일종의 세반고리관 리셋 과정을 거친다. 또한 조명을 한쪽 방향에만 설치해서 "위아래" 개념을 착시로나마 보정한다. 무의식적으로 조명이 있는 부분은 위쪽으로 느끼게 하여 균형을 잡아 멀미를 피하는 것이다.
[14]
인체대기행이라는 학습만화에서 무중력과 근육 손실의 관계에 관해 실험을 한 것을 소개한 바 있다. 머리로 6도 정도 기울인 상태로 누워있으면 무중력 상태와 비슷한 신체변화가 일어나는데, 운동을 하지 않고 일주일간 생활한 미국의 실험자는 근육 손실로 일어나기 힘들 정도였지만 매일 2시간씩 운동을 한 소련의 실험자는 1년이나 누워 있었는데도 근육 손실이 적었다고 한다.
[15]
개그콘서트의 '
우주 라이크'가 이를 풍자한 코너이다