허블망원경, 국제우주정거장이 지구에 떨어지지 않는 이유(feat. 원심력)

안녕하세요. 개풀이입니다. 저는 개인적으로 우주를 정말 좋아합니다. 별을 보는 것도 좋아하고 허블망원경으로 우리가 볼 수 없는 우리 은하 저 멀리 행성들 사진, 그리고 우주에서 바라보는 지구. 제게는 우주가 그렇게 아름답기만 한 곳이었습니다. 그래비티를 보기 전까지는요. 이후로는 우주가 약간 공포스러운 공간으로 보이긴 합니다. 여전히 예쁘고 멋지긴 하지만요. 그러다 문득 허블망원경이나 국제 우주정거장, 인공위성은 어떻게 우주에 있을까 궁금해졌습니다.

그런데 무중력은 어떤 느낌일지 궁금하지 않으세요?

흔히 무중력이라 하면 둥둥 떠다니는 것으로 생각하실지도 모르겠습니다. 사실 무중력이라는 말은 옳지 않은 표현입니다. 정확히 말하면 무중량이라고 표현해야겠네요. 무중력과 무중량, 어떻게 보면 비슷한 말 같아 보이지만 사실 둘은 큰 차이가 있습니다

• 무중력 : 말 그대로 중력이 없음. 즉, 질량을 가진 어떠한 물체도 없는 것.
• 무중량 : 중력은 존재하지만 중력을 느끼지 못하는 상태 또는 중력을 느낄 수 없을 정도로 멀리 떨어진 상태.

만유인력의 법칙으로 인해 모든 물체는 서로를 잡아당깁니다. 그렇기에 무중력이라는 것은 사실 존재할 수 없는 공간이고 아무리 멀리 떨어져 있어도 행성의 중력은 조금이라도 작용하니까요. 그래서 정확히 우주는 무중량의 공간이라고 표현해야 맞습니다.

그렇다면 우주유영은 어떻게 하는 걸까요?

사실 우주유영(space walk)은 하는 것은 지구로 추락하는 중이라고 봐야 합니다. 흔히 높은 곳에서 엘리베이터가 추락하는 경우, 그 안에서 무중력 상태를 느낄 수 있다고 말합니다. 그런데 따지고 보면 바닥으로 추락하는 중이죠. 우주유영 역시 그와 똑같은 현상입니다. 우주비행사들이 주로 나가는 곳은 국제 우주정거장(ISS)입니다. 우주라고 해서 엄청 높은 곳에 위치할 것 같지만 사실 지구로부터 340~432km 상공 위에 있습니다.

지구중력의 90% 작용하는 높이죠.

그래서 우주유영은 서서히 지구의 중력장으로 인해 지구로 빨려 들어가는 모습이라 봐도 무방합니다. 다만 지구와 거리가 멀어서 아주 천천히 움직이는 것처럼 보이죠. 물론 점점 더 지구와 가까워질수록 중력가속도의 영향을 받아 더 빠르게 추락하게 됩니다. 우주 정거장 내부에서도 둥둥 떠다니는 것 무중량 덕분이고 지구로 추락하는 과정이라 몸이 둥둥 떠나 다니는 것이죠.

국제 우주정거장, 인공위성, 허블망원경이 지구로 추락하지 않는 이유는?

지구 중력의 영향을 받는다면 당연히 지구로 추락하는 것이 맞습니다. 그렇다면 어째서 추락하지 않는 걸까요? 그 질문의 답은 바로 원심력입니다.

원심력 =물체가 원운동을 할 때 밖으로 튀어나가려는 힘

지구의 중력이 우주선을 잡아다니고 우주선의 자체 에너지를 활용해 중력과 수직방향으로 움직입니다. 이때 속도는 지구 중력과 같은 힘의 원심력이 생길 만큼의 속도만큼 빨라야 하죠. 앞서 국제 우주정거장의 위치가 340~432km 상공을 왔다 갔다 하는 이유도 이와 비슷합니다. 지구가 완전한 구가 아니기도 하고 중량 역시 중력에 따라 자주 바뀌니까요. 이런 이유로 인공위성이 수명을 다하면 지구로 떨어지는 현상이 발생하는 것입니다. 추가로 속도조절을 잘못할 경우 돌팔매 질에서 돌을 던지듯이 지구 궤도 밖으로 벗어나 우주 미아가 될 수도 있습니다.

원심력으로 인한 우주 쓰레기(Space debris) 역시 지구로 떨어지지 않고 지구 궤도를 열심히 돌고 있어요. 그로 인한 피해는 사실 엄청 심각한 수준이라고 합니다.

그래서 결론은..

우주비행사의 유영은 사실상 지구로 추락하는 과정이고 이 세상에 무중력은 존재하지 않습니다. 다만 무중량이 존재할 뿐. 여러분에게 작은 상식이 되어 재밌는 이야깃거리가 될 수 있었으면 좋겠습니다. 그럼 다음에 뵙겠습니다.