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우주는 사실 무중력이 아니다?

카이스트 출신 로봇 공대형 이독실이 알려주는 과학상식
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지대넓얕 작성일자2016.10.25. | 101,379 읽음
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무한도전 ‘우주특집’이 연일 화제다. 이번 방송에서 멤버들이 체험한 암흑적응 훈련은 미 항공우주국(NASA)과 유럽우주항공국(ESA)에서 진행하는 실제 과정이다. 이제 막 첫 부분이 공개됐지만, 멤버들은 이미 본격적인 교육을 위해 모스크바의 가가린 우주센터에 갔다가 귀국한 상태다. 그곳에서 무중력 비행 훈련 등 다양한 훈련을 받았다고 알려졌다.

출처 : MBC

영화 ‘그래비티’나 ‘인터스텔라’ 등을 통해 우리는 우주 공간의 무중력 상태를 상상해보곤 한다. 

허공에 둥실둥실 떠다니는,

출처 : 영화 <그래비티>

이런 상태.


그런데 우주가 사실은

‘무중력’ 상태가 아니라는 것을 알고 있는가?

XTM의 <F학점 공대형>에 출연한 이독실의 설명을 들어보자.

출처 : XTM <F학점 공대형> 화면 캡처

중력을 이해하기 위해서는 ‘수직항력’을 알아야 한다. 우리는 중력을 직접 느끼지 못하고 수직항력을 중력이라고 느낀다. 우리가 앉아있을 때 중력을 받는다고 느끼는 것은 사실은 엉덩이가 느끼는, 의자가 우리를 밀어올리는 수직항력이다.


이론적으로, 만일 중력 외에 다른 힘이 작용하지 않는다면 우리는 땅을 뚫고 중력이 작용하는 방향인 지구 중심으로 내려가야 하지만 알다시피, 그런 일은 없다. 땅이 중력과 똑같은 크기로 우리를 떠받치고 있기 때문이다. 요컨대 지구의 중력이 우리를 잡아당기는 동시에, 땅이 우리를 위로 밀어내는 것이다. 이때 땅이 우리를 떠받치는(밀어내는) 힘을 수직항력이라 한다.

그러면 우주 공간에서는 왜 둥둥 떠다니는 걸까?

나는 엘리베이터 안에 있다. 엘리베이터 바닥이 나를 받치고 있다. 그런데 (조금 무섭지만) 엘리베이터 줄이 끊어져 엘리베이터가 낙하한다고 가정해보자.(실제로는 그런 일이 생기면 비상 브레이크가 작동하니 너무 두려워하지 말자.)


엘리베이터가 떨어지면, 엘리베이터 바닥이 나를 받쳐주지 않으니 나도 같이 떨어진다.

출처 : XTM <F학점 공대형> 화면 캡처

그럼 내 몸은 붕 뜬다. 이것은 중력이 없어서가 아니라 나를 받치고 있던 수직항력이 사라지기 때문이다. 이 모습을 엘리베이터 바깥에서 본다고 생각하면 좀 더 이해하기 쉽다. 바깥에서 보면 엘리베이터도 나도 아래로 떨어지고 있지만(즉, 중력을 받지만) ‘엘리베이터 속의 나’는 발바닥에 힘이 가해지지 않아 무중력처럼 느끼는 것이다.

출처 : XTM <F학점 공대형> 화면 캡처

우주인들이 머무는 국제우주정거장(ISS)은 지구에서 330~430km 떨어져 있다. 지구 반지름이 6400km인 것을 생각하면 아주 짧은 거리다. 따라서 중력이 작용하는 측면에서는 지구 표면이나 우주정거장이나 크게 다르지 않다. 그러니까 우주정거장은 당연히, 지구의 중력을 받고 있다. 다만 엘리베이터에서처럼, 내가 떨어지는 동시에 우주정거장도 동일하게 떨어지기 때문에 그 안에서는 ‘떠있다’고 느끼는 것이다.

정말로 중력이 ‘없다’고 얘기하려면 지구로부터의 거리가 무한대가 되어야 한다.
330~430km쯤으로는 어림없다는 뜻.
이독실의 지대넓얕 과학교실 바로 보기
출처 : XTM

이렇듯 실제로는 중력이 있지만, 떠받쳐주는 수직항력이 없으므로 우주인은 여러 가지 신체 변화를 겪게 된다. 그중 가장 먼저 겪게 되는 우주멀미는 우주에 처음 도착했을 때 위아래의 구분이 모호해져 시각이 혼란을 겪으면서 구토와 현기증이 일어나는 현상이다. 익숙해지는 데 며칠이 걸린다.

 

멀미보다 심각한 문제는 뼈의 밀도가 감소하는 골다공증이다. 뼈에서 매달 1%가량 칼슘이 빠져나간다고 한다. 공중에 떠다니면서 뼈에 걸리는 부담이 적어지는 상황에 생체가 적응하기 때문인 것으로 알려져 있다.

근력과 뼈의 손실을 막기 위해 우주인들은 매일 2시간씩 강도 높은 운동을 한다. 우주정거장에 설치된 운동기구 '트레드밀'. 일종의 러닝머신이다.

장기간 체류 시 근육도 약해진다. 2012년 9월 영국 데일리 텔레그래프지에 따르면 우주정거장에서 6개월간 체류한 미국 우주인 9명과 러시아 우주인 1명의 근육세포를 검사한 결과 종아리의 운동 능력이 40% 감소한 것으로 나타났다.

러시아까지 다녀온 무한도전 우주특집이 앞으로 어떻게 전개될지 궁금하다. 어릴 적 누구나 한번쯤 우주비행사를 꿈꾸지 않나. 단 한 순간도 중력으로부터 자유로울 수 없는 인간의 운명 탓일까. 어른이 된 지금도 가끔 '무중력의 세계'를 그리는 것은.

지적 대화를 위한 팟캐스트 방송.
채사장, 이독실, 김도인, 깡선생의 <지대넓얕>

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