무중력 상태

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무중력 상태

 

무중력 상태란 중력이 없는 상태가 아니다. 중력만 작용하고 수직항력이 작용하지 않아 󰡐짜부라지는 효과󰡑를 느끼지 못하는 상태다. 즉 역설적이게도 중력만 작용하는 상태가 곧 무중력 상태다. 이렇듯 중력만 작용하는 경우는 (공기 저항이 없는 가운데) 자유낙하 또는 투사체 운동을 하고 있는 사람, 지구 주위를 도는 우주비행사 등의 경우에서 찾아볼 수 있다. 이 경우에 모두 무중력 상태를 경험하게 된다.

 

▶문 : 자유낙하를 하면 왜 무중력 상태를 경험하게 되는가?

▶답 : 무중력 상태란 중력이 '없다'는 뜻이 아니라 중력의 효과를 느끼지 못한다는 뜻입니다. 보통 우리가 어딘가에 서있거나 앉아있는 경우, 우리 몸에는 중력과 수직항력이 함께 작용하게 됩니다. 중력은 아래쪽으로 잡아당기는 힘이고 수직항력은 위로 밀어올리는 힘이기 때문에, 우리 몸은 서로 반대 방향의 힘을 동시에 받는 셈이고 따라서 몸이 '짜부라지는' 느낌을 받게 됩니다. 즉 우리는 엄밀히 말해서 중력 자체를 느끼는 것이 아니라 중력과 수직항력이 서로 반대 방향으로 작용하기 때문에 나타나는 '짜부라지는' 느낌을 받는 것입니다.

 

그런데 자유낙하 운동을 하면 우리 몸이 아래의 바닥을 누르는 것이 불가능하므로 수직항력이 나타나지 않습니다. 즉 중력만 받게 되지요. 그러면 짜부라지는 느낌이 받을 수 없게 됩니다. 이것이 곧 무중력 상태입니다. 중력만 작용할 경우에는 우리 몸은 중력의 효과(정확히는 짜부라지는 효과)를 느낄 수 없는데 어울리지 않지만 이때 무중력 상태라는 용어를 쓰는 것입니다.

 

▶문 : 이런 일이 어떻게 자유낙하 때 일어나는가?

▶답 : 수직항력은 '우리 몸이 바닥을 누르는 힘'의 반작용입니다. 그런데 우리 몸과 바닥이 나란히 자유낙하 운동을 하면 우리 몸이 바닥을 누르는 것이 불가능하지요. 매 순간순간마다 몸과 바닥이 항상 똑같은 속력으로 아래를 향해 움직이고 있을 테니까요. 이런 상황에서는 '누르는 힘'(F2)이 나타날 수 없고, 따라서 누르는 힘의 반작용인 '수직항력'(F3)도 없는 것입니다. 즉 몸에는 중력(F1)만 작용하게 됩니다.

 

▶문 : 그러면 지구 주위를 도는 우주비행사는 왜 무중력 상태를 경험하게 되는가?

▶답 : 지구 주위를 도는 물체의 경우도 연직 방향만 보면 중력만 작용한다는 점에서 자유낙하와 마찬가지입니다. 여기서도 수직항력은 나타나지 않습니다.

 

▶문 : 뉴턴은 '달의 운동과 사과의 자유낙하가 본질적으로 동일한 운동'이라고 하였다. 그 이유는?

▶문 : 자유낙하하는 사과나 지구 주위를 도는 달이나 모두 알짜힘은 (공기저항을 무시한다면) 지구가 잡아당기는 중력밖에 없습니다.

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