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	박우진

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제 8 화 - 무중력상태에서의 물리학

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무중력상태에서의 물리학

들어가며

우리는 태어나서 한번도 무중력이라는 것을 경험한 적이 없다. 하지만 간접적으로 경험을 해 볼 수는 있다. 예를들어 높은 곳에서 떨어진다던가 롤러코스터 같은 놀이기구를 타도 무중력 상태와 같은 효과를 낼 수 있다. 실제로 중력은 거리의 제곱에 반비례하기 때문에 우주공간에 무중력인 곳은 없다. 하지만 어느정도 거리가 멀어지면 중력에 의한 효과를 무시할 수 있을 정도로 그 크기가 작아지게 되는 것이다. 인류가 경험한 무중력은 우주비행선 속이 유일하지 않을까 생각한다. 그렇다면 이렇게 중력이 무시되는 공간에서는 물리법칙이 어떻게 될까?

우주왕복선을 타자

우주왕복선은 두 대의 고체 로켓과 세개의 액체연료 엔진으로 추진력을 받아 궤도에 진입한다. 고체 로켓은 처음 2분간 연소하고, 발사 엔진은 최초 8.5분간 연소된다. 이것은 모두 합하여 우주선이 낮은 타원궤도로 진입하는데 충분한 추진력 또는 충격을 제공한다. 궤도의 원지점에서 왕복선의 작은 궤도 엔진을 수 분간 점화시켜 궤도가 원이 되도록 에너지를 보충시킨다. 이들 궤도 엔진은 정확한 속도에 도달하면 꺼버린다. 우주왕복선이 궤도에 들어오면 어떤 엔진도 필요치 않다. 중력이 그것을 책임진다. 지표에서 400 km 인 전형적인 원궤도에서 우주왕복선의 속도는 초속 8 km 이고, 지구를 한바퀴 도는데 90분밖에 걸리지 않는다.

일단 우주왕복선과 그 안에 있는 모든 물체가 지구 주위를 도는데 요하는 속도를 얻게 되면 중력은 왕복선 바닥으로 물체를 가속시키지 않는다. 즉 중력에 의한 효과가 없어지게 된다. 중력은 물체와 바닥을 동시에 가속시킨다. 마치 엘레보이터 줄이 끊어진 것과 같은 상황이 되는것이다. 우주선 안에 있는 모든 물체는 같은 궤도에 있게된다. 이 사실은 최초로 Galileo가 시범을 보인 등가원리의 한 결과이다. 그는 무거운 물체와 가벼운 물체를 같은 높이에서 떨어뜨린다면(공기의 저항을 무시할 때) 그들은 동시에 땅에 떨어질 것이라는 사실을 보여주었다. 이것은 여러 차례 실증되었는데, Appolo 15에 탄 우주비행사 Dave Scott의 실험이 가장 유명하다. 그는 망치과 깃털을 달 표면으로 가지고 가서(달에는 공기가 없으므로 공기저항이 없음) 달착륙선 밖에 서서 그것들을 우주복 팔길이 만큼 거리를 두고 지지하였다가 그것들을 떨어뜨렸다. 둘 다 동시에 달 표면을 때렸다. 등가원리는 매 우주왕복 비행마다 증명되었는데, 그 안에 있는 모든 것들 - 우주비행사, 연필, 위성, 공책 - 등이 같은 율로 날하함으로 그들은 서로 상대적인 운동을 전혀 하지 않는다.

중력의 생리적 효과

무중력상태와 관련된 생리적 효과를 생각해 보자. 인체는 지구에서 진화되었다. 따라서 새로운 환경에 노출되면 변화를 겪게 된다. 가장 눈에 띄는 변화는 우주비행사의 얼굴이 붓는 것이다. 지상에서는 중력이 체내의 유체를 발 쪽으로 끌어내린다. 위성궤도에서는 유체의 평형 분포가 달라져서 상체로 올려 미는 경향이 있다.
또 하나의 흥미있는 효과는 우주비행사의 키가 약 1인치(2.54cm)정도 더 커진다는 것이다. 척추에 작용하는 하항력이 없으므로 척추 줄기에 있는 물렁물렁한 척추뼈 마디가 압축되지 않는다. 뼈마디가 압축되지 않으므로 우주비행사의 키가 자라게 되는 것이다.
무중력 환경에서는 심장 혈관 계통이 인체 전역으로 피를 순환시키기 위하여 열심히 일을 할 필요가 없다. 다리에서 피를 다시 되돌려 오는 데나 또는 두뇌로 피를 올려 보내는 일은 훨씬 쉬워져서 심장 혈관 근육은 별로 할 일이 없는 상태가 된다. 우주비행사가 궤도에 머무르고 있을 때는 별 문제가 아니지만 다시 지구로 귀환 했을 때 문제가 발생한다. 심장 혈관 계통이 중력에 대항하여 다시 피를 순환 시키도록 해 주어야 하기 때문이다. 우주 정거장에 오랫동안 머무는 경우에는 중요한 고려 사항이고 따라서 우주비행사를 화성과 같은 먼 곳으로 보낼 수 있기 전에 상당한 연구를 해야 하는 것이다.
무중력 상태에서는 '우선적 방향'이나 '뒤집혔다'든가 '이쪽이 위다'는 등이 있을 수 없다. 상대적으로 위와 아래를 구별할 수 있는 길이 없다. 우리 몸의 평형과 우리의 방향을 정하는 탐지기는 안쪽 귀에 위치하고, 지구의 중력에 민감하다. 머리가 옆으로 기울어지면 가는 머리카락 구조가 구부러져서 머리가 똑바로 서 있지 않다고 두뇌에 신호를 보내게 된다. 무중력 상태에서는 이들 탐지기가 방위(方位)의 차이를 감지하지 못하고, 또한 몸의 방위에 대하여 뇌에게 단서를 제공할(예를 들어 머리로 피가 몰린다던지 등) 다른 유사한 생리적 지시기가 없다는 것이다. 우주비행사는 그들의 발이 지구를 향하든 또는 별을 향하든 느낌이 똑같다.

외계에의 적응

우주 비행사는 지구에서 흉내낼 수 없는 환경에 적응해야만 한다. 무중력 상태에서의 사물은 다른 종류의 일련의 물리법칙에 준해야 할 것이다. 물론 법칙들은 같고 때로는 그들 법칙의 의미가 한층 더 분명해진다. 예를 들면 지구에서 마찰효과는 Newton의 운동법칙을 알아보기 곤란하게 한다. 마찰은 중력 때문에 피하기가 매우 어렵다. 중력은 사물을 땅, 책상 또는 마루 바닥에 접촉시킨다. 중력이 서로 접촉하고 있는 물체를 더 이상 유지하지 않는다면 마찰 효과를 피하기는 쉬운일이다. 실제로 우주비행사는 기초 물리 실험실의 한 부품이라고도 할 수 있다. Newton의 운동법칙은 이 경우 진짜로(?) 사실이 되는 것이다. (매우 이상적인 상황이 된다는 뜻이다) 한 우주비행사를 조정실 가운데에 놓아둔다면 바닥이나 천장이나 어느 벽에도 가지 못하고 조정실 가운데서 꼼짝못하고 한 동료가 와서 외력을 공급해 줄 때까지 정지상태를 우지할 것이다. 운동을 시킨 땅콩 알은 벽이나 천장, 누군가의 입에 닿을 때까지 운동을 계속하게 된다. 그리고 어깨를 탁 침으로써 우주비행사가 방 속을 가로직러 유영하기에 충분한 충격을 줄 수 있다.
인간은 그들이 땅에 매어 있는 지구에서 작용과 반작용 법칙을 취급하도록 훈련받았다. 서랍을 당겨 여는 사람은 무의식적으로 마루 바닥에 대항하여 반작용을 하게 된다. 어디에 매어 놓지 않은 우주비행사가 서랍을 당길 때 그 결과는 지구에서와 매우 다르게 된다. 그 서랍은 열리지 않고 반대로 우주비행사가 서랍쪽으로 움직인다. 만약에 우주비행사가 드라이버로 나사를 돌릴려고 한다면 나사는 움직이지 않고 대신 우주비행사가 돌아갈 것이다.

무중력 상태에서의 표면장력

표면장력의 효과는 지구에서 아주 좋은 증거인데, 즉 비누방울이 형성되고, 새는 수도꼭지에 물방울이 매달리고, 또 유리관 속으로 올라가는 물기둥의 표면이 굽어지는 현상 등이다. 표면장력은 분자 간의 힘의 결과이다. 액체 안에 있는 분자들은 서로 간에 어떤 인력을 느끼므로, 표면에 있는 분자들은 그들을 안으로 유지하기 위한 약간 작은 알짜 힘을 느끼게 된다. 마찬가지로 액체가 고체와 접촉하고 있으면 액체의 분자들은 고체 표면에 있는 분자에 어떤 작은 인력을 받게 될 것이다.
표면장력은 액체의 표면 대 부피의 비를 극소화하려는 경향이 있다. 무중력 상태에서도 이것은 분명한데, 액체는 실제로는 구슬 모양으로 오므라든다. 지구에서는 이것이 정확히 구가 되지 않는다. 즉 쏟아진 우유는 마루바닥 위에 덩어리로 놓여 있으나, 무중력 상태에서는 마루에 쏟아지지 않고 방 한가운데 떠 있는 한개의 공 모양을 형성한다.
고체와 액체의 접촉점에서의 분자 간의 나머지 힘은 액체를 고체에 달라붙게 하는 원인이 된다. 이 표면장력으로 우주 공간에서도 거의 정상적인(지구에서와 같이) 식사가 가능하다. 우주비행사는 열린 음식그릇에서 숟가락으로 음식을 떠서 입으로 가져온다. 이 때 요령은 '끈끈한' 음식물이어야 한다는 것이다. 대부분의 음식은 수분을 제거하고 얇은 플라스틱 통에 진공 포장이 되어있다. 그것은 플라스틱 마개를 통해 물 권총 바늘을 찔러 넣고 물을 주사함으로써 다시 수분이 가해진다. 모든 이런 음식물은 일단 다시 물을 넣어 주면 최소한 부분적으로 액체가 됨으로 표면장력이 그 음식물을 용기 안에 잡아 둘 수 있다. 우주배행사들은 국그릇을 열어 놓은 해 마실 수도 있고 숟가락으로 떠 먹을 수도 있다. 편리한 차이점은 숟가락을 기울리거나 떨어뜨려도 국은 숟가락 위에 그대로 있다는 것이다.
표면장력은 물에 다시 젖은 음식물을 숟가락 위에 유지하거나 음료가 용기에서 달아나게 하는데도 도움을 준다. 용기 내의 음료를 마시려고 플라스틱 빨대를 사용하면 액체의 분자들은 액체 표면 바로 위에 있는 빨대의 분자들과 어떤 일력을 느끼게 될 것이다. 이 인력은 무중력상태에서 액체가 가는 빨대 속으로 기어올라가 빨대의 끝에 크고 동그란 방울로 응결시킨다. 우주왕복선 빨대는 위를 모두 봉하여 눌러 놓아서 음료가 기어 올라가 흘러 버리지 않게 되어 있다.

무중력 상태에서의 실험

궤도에서는 액체 기둥의 무게가 없으므로 유체 압력도 없고 부력 효과도 없으며 침전 현상도 일어나지 않는다. 나무가 액체 위에 뜨지도 않고 기체 방울이 액체의 표면으로 올라오지도 않고(이 말은 탄산 음료에 녹아 들어간 기체가 그대로 액체 속에 들어 있으므로 별로 마시기에 좋지 않다) 또 초콜렛 우유잔 바닥에 초콜렛 층이 생기지도 않는다.
이와 같은 원리 - 즉 밀도가 더 큰 물질은 가라 앉고 밀도가 작은 물질은 올라오는 - 또한 열의 대류를 일으킨다. 지상에서는 액체나 기체의 한 부분이 열을 받거나 냉각되면 대류가 일어난다. 열을 받은 덩어리는 팽창하고 따라서 밀도가 작아지므로 올라가고(지상에서) 냉각된 덩어리는 더 밀도가 커져서 내려간다. 하지만 무중력 상태에서는 대류가 일어나지 않는다. 역시 공기 기둥(예를 들면)의 무게가 없으므로 더운 공기가 올라가지 못한다. 즉 열을 받으면 팽창되나 그곳에 그대로 머문다.
한가지 흥미있는 실험은 선회하는 우주선 속에서 성냥이나 양초를 켜 보는 일일 것이다. 공기중의 산소가 연소되어 불꽃 근방에서는 감소됨에 따라 더워진 기체는 올라가고 찬 공기가 그 대신 몰려들어 더 많은 산소를 사용할 수 있게 공급된다. 대류가 일어나지 않는다면 양초는 곧 꺼지고 말 것이다.

글을 마치며

무중력의 세계는 우리가 친숙한 세계와는 다르다. 어떤 일상적인 물리 효과는 사라지고 그 대신 다른 효과들이 눈에 띄게 나타나다. 여러분이 상상할 수 있는 것과 같이 그것은 비통상적인 생존 환경이다. 그것은 또한 새로운 실험실 조건하에서 물리학, 화학, 생리학의 기본적인 실험을 수행할 수 있는 기회를 제공하는 독특한 실험실 환경인 것이다.

Reference : Halliday, Resnick and Walker, Fundamental of Physics, 4th edition (1995)


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