[무중력5] 지구에서 무중력 만들기

아인슈타인의 아이디어에 따르면 중력 상태는 주변의 모든 것이 같은 가속을 받는 상태와 똑같습니다. 따라서 무중력 상태란 가속을 전혀 받지 않는 상태를 의미하며, 가속을 받지 않는 다는 것은 주변에서 전해지는 모든 힘들에 자유로이 움직이는 것을 뜻합니다.

1. 가장 생각하기 쉬운 대표적인 경우는 자유낙하의 경우를 볼 수 있습니다. 따라서 지구상에서 무중력을 만드는 방법은 자유낙하를 하는 것인데, 이는 오랜 시간동안 유지할 수는 없습니다.

2. 1번과 다르게 무중력을 만들 수 있는 방법은 지구에서 중력의 알짜힘이 0인 곳, 즉 지구의 한 가운데에 갖다놓는 것입니다. 물론 과학기술이 엄청 발달하게 되면 6400km를 뚫고 지구 한 복판에 도달할 수 있을지도 모릅니다.

3. 중력이 완전히 작용하지 않는 조건을 만들지 못한다면 차선책으로 다른 힘을 이용해서 중력을 상쇄시키면 됩니다. 우리가 사용할 수 있는 힘은 전기력과 자기력의 두 가지가 있습니다.

아주 좋은 방법이지만, 중력과 전자기력의 합을 완전히 상쇄하기가 힘들기 때문에 작은 입자의 경우는 통제할 수 있지만, 사람과 같이 부피가 커질 경우에는 모든 부분부분까지 완전히 일치시키는 것이 불가능한 방법이다.

밀리컨이 기름방울 실험을 하여 전자의 비전하[footnote]전하량과 질량의 비율[/footnote]를 구한 실험도 이 방법을 이용한 방법이다.

4. 무중력상태와 유사하게 만드는 가장 쉬운 방법은 부력을 이용하여 물에 의해 뜨게 만드는 것인데, 엄밀하게 무중력 상태라고는 할 수 없을 것이다. 하지만 가장 만들기 쉽기 때문에 Nasa에서 우주비행사의 무중력 연습을 할 때 사용되는 방법이다.

여기서 중요한 한 가지는 물체가 둘 이상 있는 우주에서는 완전 균일한 무중력을 만들 수는 없다는 점이다. 그래서 Nasa가 우주에 나간 우주선에서 한 실험을 설명할 때도 무중력(weightlessness 또는 zero gravity)이라 하지 않고 미소중력(microgravity)라고 설명한다.

13 thoughts on “[무중력5] 지구에서 무중력 만들기

  1. 가장 간단한 방법이 자유낙하시키는 겁니다.
    물을 담은 종이컵에 구멍을 뚫은 후 놔두면 중력에 의해 물줄기가 보입니다.
    이 종이컵을 자유낙하시키면 낙하하는 도중에는 물줄기가 없습니다.
    가장 손쉽게 보여줄 수 있는 무중력상태입니다.

    1. 그건 다만 종이컵도 물줄기와 함께 낙하하고 있기 때문이지요. 정말로 무중력상태라면 컵만 떨어지고 물은 그자리에 남아있어야겠죠?

    2. 음..그러니까 컵하고 물하고 결국엔 같이 떨어지고 있는 것이기 때문에 컵 입장에서 볼때만 물이 안떨어지는 것이지 지구 입장에서보면 물이 중력을 받아 떨어지고 있는 건 같다라는 말이었습니다. 음..부피 안에서 발생하는 차이라는 게 뭘 말씀하시는 건지 잘 모르겠어요 ㅠ

    3. 예, 컵의 좌표계에서 봐야 한다는 말을 저도 하고 싶었습니다. 자유낙하때문에 물이 무중량상태가 되는 것이 절대 아니고, 단지 좌표계를 바꾸어 관성력으로 중력을 상쇄시켰기 때문에 무중량상태가 되는 것이죠. :)

    4. 하하… 요건 좀 미묘한 문제지요.
      떨어지는 물체의 부피 안에서의 약간씩 발생하는 차이를 무시한다면 무중력이라 볼 수 있지요. 다만 그 차이를 극복할 방법은 없어 보입니다.
      polarnara님 말씀은 좀 이상한 면이 존재하네요. ^^ 컵만 떨어져야 무중력이 되는 건 아니죠. ㅎㅎㅎ

      혹시 모르죠. 머~~언 미래에는 중력을 차단하는 기술이 개발될지도. ^^

    5. 작은 부피 안이라도 중력적인 차이(중력이 모든 곳에서 균일하지 못하여 크기와 방향.. 즉 벡터적인 요소의 차이)가 발생할 수밖에 없다는 이야기죠. ^^
      작은 부피 안에서의 차이를 무시한다면 좌표계는 상대적인 것이니까…. 지구좌표계가 아니라 컵의 좌표계에서 보면 물은 분명 무중력 상태가 되는 것이겠죠. ^^

    6. ^^*
      아인슈타인이 중력과 가속력을 등가로 놓은 이유가 거기 있죠.
      뭐 약간의 차이가 발생하긴 하지만… 전체적으로는 똑같은..
      여러 의견교환 즐거웠습니다. ^^

  2. 음.. 물리학을 공부하는 입장에서, 엄밀하게 무중력 상태는 말 그대로 중력이 없는 상태를 의미합니다. 그렇기때문에 이 우주에선 무중력 상태를 만든다는게 실질적으로 불가능하죠.
    그래서 1번에서 언급하신 엘리베이터 자유낙하도 다만 중력을 상쇄시키는 것이지 중력이 작용하지 않는 것이 아니므로 용어 상에서 약간 미묘한 차이가 있다고 보여집니다. 3번과 같은 경우로, 이런 경우엔 용어 사용 상의 혼선을 피하기 위해 무중량 상태라는 용어가 사용되고 있어요.
    음..4번 같은 경우엔 무중력 상태도, 무중량 상태도 아닌 것 같습니다만..

    1. 참 많은 의견 교류가 있었군요.
      물론 제가 말한 사항은 정확히는 무중력이 아닌 것 맞습니다. 무중량상태라고 하는 것이 맞습니다.
      다만 학교현장에서 무중력으로 사용할 뿐입니다.
      학생들의 상당수가 진공과 무중력을 아직도 구분하지 못하고 있습니다.^^

  3. 우리 인간이 사는 지구란 행성자체가 우주란 커다란 무중력상태의 공간에서 둥둥떠있는 스스로의 중력을 가진 행성이죠! 내가 어떤 곳에서 읽어보니까 모든 물질은 저마다 중력을 가지고 있다고 하데요! 물질의 크기가 클수록 중력이 크다는 거죠! 그래서, 예를 들면 먼지가 내 팔에 묻어서 안 떨어지는 것은 먼지와 지구중심부와의 거리보다 내 몸과의 거리가 더 가까우므로 내 몸에서 나오는 중력으로 인해서 안 떨어진다는 거죠! 중력을 다른 말로는 척력이라고도 하데요! 그런데 여기서 한 가지 궁금한 점은 왜 모든 물질은 저마다 잡아당기는 힘을 가지고 있을까요?

    1. 팔에 먼지가 붙는 것은 중력과는 전혀 상관이 없습니다.
      지구가 존재하는 것 자체로부터 무중력 지대가 우주상에 존재하지 않는 원인이 되는 것이죠. ^^;;;;;

      마지막 질문인 ‘잡아당기는 힘’에 대해서는 아직 물리학계가 풀지 못한 과제로 남겨져 있습니다.

  4. 사람들이 진공과 무중력을 헷갈려 하는 이유는 우주가 무중력상태이면서 동시에 진공상태이기에 그럴 겁니다. 그런데, 우리 우주는 완전한 진공은 아니라고 봅니다. 왜냐 우주공간에는 산소와 몇가지 성분들의 가스들을 제외한 수소와, 질소같은 온갖 가스들이 많기 때문인 것으로 생각되어서요. 제 생각이 틀렸나요?

    1. 무중력 상태이면 진공상태라고 말씀하시는 것 자체가 오류의 시작입니다. ^^
      그리고 현재 실험실에서 만들 수 있는 진공이 우리가 자연상태에서 발견할 수 있는 진공보다 훨씬 더 압력이 낮은 진공입니다. 하지만 아시겠지만…. 그마저도 완전한 진공은 아니라는 것이죠. ^^;
      님 말씀대로 진공은 존재하지 않는 것 같습니다.

      하지만 님의 댓글에서 산소와 몇 가지 성분들의 가스를 제외한 것은 오류라고 생각합니다. 우주에 떠도는 가스들은 우리가 알고 있는 대부분의 가스가 다 포함되며, 우리가 알지 못하는 가스들도 꽤나 많이 존재합니다. 우주공간에 나타나는 여러가지 스펙트럼들을 아직 물리학이나 천문학에서 모두 해독하지 못한다는 것이 그 증거죠. ^^;;

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