우주정거장은 정말 무중력일까? 미세중력 상태와 자유낙하 운동

 유튜브나 뉴스에서 국제우주정거장에 머무는 우주비행사들의 영상을 보신적이 있을까요? 우주비행사들이 허공에 둥둥 떠다니며 방울로 된 물을 마시고 무거운 짐이나 물건을 손가락 하나로 툭툭 밀어서 이동시키는 모습은 정말 신기합니다. 우리는 이런 현상을 보고 당연하게 우주에는 중력이 없는 무중력 상태로 받아들이고 있습니다.

하지만 아이러니하게도 인류가 우주에 대해 가지고 있는 가장 큰 착각 중 하나라고 합니다. 우주정거장이 떠 있는 우주 공간에는 여전히 지구의 강력한 중력이 작용하고 있습니다. 그렇다면 중력이 존재하는데도 왜 우주비행사들이 허공을 날아다닐 수 있는 것일까요? 오늘은 우주정거장은 정말 무중력일까? 라는 질문에 대해 설명해드리려고 합니다. 

우주정거장에는 중력이 없을까?

우리가 땅에 발을 딛고 있는 이유는 지구가 우리를 끌어당기는 힘인 중력 때문인데요. 거리가 멀어질수록 중력이 약해지는 것은 맞지만 중력이 완전하게 0이 되려면 지구로부터 생각지도 못할 정도로 멀리 떨어져야 합니다.

우주정거장의 고도와 중력 크기

국제우주정거장은 지구 표면에서 약 400km 상공에 떠 있는데요. 이 거리는 서울과 부산정도의 거리로 우주적 관점에서 보면 엄청나게 가까운 거리입니다. 그래서 과학적으로 계산해보면 중력이 지구 표면의 90% 정도가 되는데요. 이렇게 보면 지구에서 100kg인 사람이 여전히 90kg에 달하는 힘으로 지구를 향해 끌어당겨진다고 볼 수 있습니다. 그렇다면 이렇게 무거운 상태인데 어떻게 우주비행사들이 둥둥 떠 있는 것일까요?

둥둥 떠다니는 진짜 이유

우주비행사들이 자신의 몸무게를 느끼지 못하고 떠다니는 이유는 중력이 없어서가 아니라 우주정거장과 우주비행사가 지구를 향해 끊임없이 자유낙하를 하고 있기 때문입니다.

끊어진 엘리베이터의 비유

이것을 이해하기 위해 엘리베이터를 상상해볼게요. 만약 여러분이 엘리베이터를 타고 있는데 갑자기 사고로 인해 바닥을 향해 자유낙하를 한다고 가정해보겠습니다. 이때 사람과 엘리베이터는 똑같은 속도로 바닥을 향해 떨어집니다. 이때 발을 받쳐주던 엘리베이터 바닥이 똑같이 추락하고 있어서 발은 바닥에 닿지 않고 허공에 둥둥 뜨게 됩니다.

우리가 몸무게를 느끼는 이유는 바닥이 우리르 위로 떠받쳐주는 힘이 있기 때문입니다. 우주정거장과 그 안의 사람은 방금 전 줄이 끊어진 엘리베이터처럼 지구를 향해 빠르게 추락하고 있습니다. 이때 바닥이 받쳐주지 못하니 무게를 느끼지 못하는 무게 없음 상태가 되는 것입니다.

추락하는데 왜 지구와 충돌하지 않을까?

여기서 한가지 의문이 생길거에요. 엘리베이터처럼 지구로 계속 추락을 하게 된다면 언젠가는 땅에 부딪혀야 정상이 아닐까요? 우주정거장이 땅에 떨어지지 않는 이유는 아래로 떨어지는 속도 못지않게 옆으로 이동하는 속도가 빠르기 때문입니다.

뉴턴의 대포알 실험

아이작 뉴턴은 이를 대포에 비유하였습니다. 대포를 쏘면 포탄이 포물선을 그리며 땅에 떨어집니다. 그런데 이때 화약을 많이 넣어서 포탄을 빠른 속도로 날리면 어떻게 될까요? 포탄이 땅에 닿기전에 지구의 둥근 곡면을 따라 계속 날아가게 될 것입니다.

• 초속 8km의 비밀: 지구가 둥글기 때문에 앞으로 약 8km를 이동할 때마다 지표면은 아래로 약 5m씩 휘어집니다. 어떤 물체를 1초에 8km로 이동시킨다면 중력 때문에 아래로 5m 떨어지는 순간 땅바닥에서도 똑같이 5m 를 벗어나게 됩니다.

우주정거장은 초속 8km의 속도로 지구를 돌고 있습니다. 그래서 지구를 향해 계속 추락하고 있지만 그만큼 지구가 둥글게 생겼기 때문에 땅에 닿지 않고 계속 떠있는 상태를 유지하는 것입니다.

무중력이 아닌 미세중력

따라서 과학자들이 이러한 상태를 중력이 없다는 뜻의 무중력이 아닌 미세중력이라는 용어로 쓰고 있습니다.

완벽한 무중력은 아니지만 우주정거장 내부에서는 지구 표면 중력의 100만분의 1 정도의 아주 미세한 힘만 느끼기 때문입니다. 그래서 궤도를 돌면서 부딪히는 아주 희박한 공기 분자들의 마찰력이나 작은 진동으로 미세한 중력이 생깁니다. 그리고 이것을 이용해 새로운 환경에 대한 실험을 하고 있는 것입니다.

자 이제 우주비행사들의 숨겨진 물리 법칙을 3가지로 요약해 보겠습니다.

1. 고도 400km에 있는 우주정거장에는 중력이 없는 것이 아니라 지구 표면의 90%에 달하는 강력한 중력이 여전히 작용하고 있습니다.
2. 우주비행사가 허공에 떠 있는 이유는 엘리베이터가 추락할 때처럼 우주정거장과 함께 지구를 향해 자유낙하하며 무게를 느끼지 못하기 때문입니다.
3. 초속 8km의 속도로 우주정거장이 돌고 있어서 땅에 떨어지지 않고 미세중력 상태를 유지하며 궤도를 돌고 있습니다.

이제부터 우주와 관련된 영상을 본다면 우주라서 중력이 없는 것이 아니라 엄청난 속도로 떨어지고 있지만 다른 방향으로 움직이고 있어서 떨어지지 않는 다는 것을 생각해보시면 좋을 것 같습니다.