인공 무중력과 인공 중력

[스토리]

인공 무중력과 인공 중력

지상에서 중력이 작용하지 않는 무중력(또는 반중력) 공간을 만들기는 쉽지 않습니다. 왜냐하면 빛(방사선)은 두꺼운 철판이나 납 등을 통해 완전히 차단할 수는 있지만, 중력은 모든 물질이 가지고 있는 힘이므로 철판과 같은 물질로는 도저히 차단할 수 없습니다.

하지만 물 속에서 부력에 의해 몸이 뜨는 방법이나 풍선이 기체의 밀도차에 의해 떠오르는 것도 무중력 상태로 만드는 좋은 방법이며, 물 속에서 실제로 우주비행사들이 무중력 훈련을 합니다. ​이렇게 액체와 기체를 이용하거나 그외에도 몇가지 방법을 통하여 인위적으로나마 무중력 상태를 구현할 수 있습니다. ​

■ 인공으로 무중력을 만드는 방법

⊙ 물의 부력을 이용하는 방법

​⊙ 기체의 밀도차를 이용 또는 대류를 이용하는 방법

​⊙ 자유낙하를 이용하는 방법

​⊙ 원심력을 이용하는 방법

​⊙ 코리올리힘을 이용하는 방법(회전하거나 빨리는 힘)

⊙ 자기장을 이용하는 방법(자기력)

⊙ 초전도체를 이용하는 방법(온도와 자기부상)

​⊙ 초음파를 이용하는 방법(물질파의 힘)

​■ 인공으로 중력을 만드는 방법

​⊙ 원심력을 이용하는 방법

우주정거장의 우주인들은 무중력상태이므로 둥둥 떠 다닙니다. 우주정거장은 지표면에서 350Km 떨어져 있는데, 이 지점에서는 중력이 지구에 비해 10%만 작을 뿐입니다. 그렇다면 우주인들은 중력이 약해서 떠 다니는 것이 아니라는 것입니다. 우주인들이 떠 다닐 수 있는 이유는 우주정거장이 시속 28,000Km의 속도로 회전을 하고 있고, 이때 발생하는 원심력에 의해 지구가 당기는 힘(중력 또는 구심력)을 상쇄시켜 무중력 상태가 될 수 있습니다. 우주정거장에서는 지구 중력의 1백만분의 1의 중력을 가지며, 이러한 중력을 미소중력이라고 합니다.

​미소중력의 무중력 상태에서는 지구상에서는 중력 때문에 불가능한 순도 100%의 결정체를 만들 수 있으며, 새로운 재료를 합성하거나 신약 제조 그리고 단백질의 구조 등을 밝히기 위해 좋은 환경이 된다고 합니다.

비행기내에서 자유낙하를 통해 무중력 상태를 구현할 수 있습니다. 지구의 중력가속도로 낙하하는 비행기는 물체가 제자리에 있으려고 하는 관성력이 작용하기 때문에 지구의 중력과 상쇄되어 무중력 상태가 될 수 있습니다.​ 비행기가 하늘에서 시동을 정지시키면 중력가속도의 속력으로 자유낙하하게 되고 이때 무중력 상태가 됩니다. 스카이다이버들도 자유낙하시 중력가속도와 같은 종단속도에 이르게되면 무중력상태를 느끼게 됩니다. 처음 자유낙하시에는 가속도가 붙게되지만 차츰 종단속도에 이르게 되면 공기의 저항과 중력이 일치하는 상태이므로 무중력 상태가 됩니다.

정리해서 더 정확하게말하면 자유낙하시 중력가속도(9.8m/s)에 의해 속력이 점점빨라지지만, 공기의 저항 등의 ​항력이 발생하면서 중력가속도는 종단속도에 이르게되는데 이때 무중력상태가 나타납니다. 스카이다이버의 종단속도는 대략 초당 60m가 한계이며, 자세에 따라 종단속도가 달라집니다.

<그림출처 : ​Reduced-gravity aircraft - 위키백과>

​비행기는 무중력상태를 만들기 위해 포물선을 그리는 항법을 이용하기도 합니다(단순히 떨어지는 것과는 원리가 약간 다름). 처음에는 상승하는 강한 추진력에 의해 올라가다가 출력을 줄이면 관성에 의한 무중력상태가되고 하강하게되면 이때는 자유낙하에 의한 무중력 상태가 됩니다. 속도차에 의한 부력을 만드는 원리인데, 정확히말하면 항력(drag,반대가 되는 힘의 성분)을 이용합니다. 같은 무중력상태이지만 항력이 작용하는 방향은 반대입니다.

<Trajectory for zero gravity maneuver>

​<2000년 솔레노이드코일을 이용한 공중부양>

개구리나 물방울과 같은 물체(생명체 포함)를 자기장을 이용하여 무중력 상태로 만들 수 있습니다. 대부분의 물질들은 약하지만 미세한 자성을 가지고 있습니다. 따라서 자기장에 반응을 하며, 이것을 이용하는 MRI는 수테슬라의 자기력을 사용하는데, 이보다 몇배 높은 약 16테슬라의 자기장(지구자기장의 수십만배)속에서 자기력과 중력이 상쇄되며(균형을 이룸) 개구리를 무중력 상태로 부양시킨 일이 있었습니다(1테슬라는 1만가우스, 지구자기장은 0.5~1가우스).

개미, 무당벌레, 물고기 등을 공중부양 시킨 사례가 있는데, ​이 방법은 자기장이 아니라 초음파를 이용한 것입니다. 초음파 발생장치(20mm파장의 음파)와 이것을 반사시키는 장치를 이용하여 이 힘들과 중력의 상쇄작용에 의해 물체를 떠오르게 할 수 있습니다.

<1966년 제미니11호 인공중력 실험>​

​때로는 무중력상태에서 인공으로 중력을 만들어 낼 수 있습니다. 우주공간에서 인간이 살아가기위해서는 무중력보다는 중력이 있는 상태가 좋은데, 제미니 11호는 무중력 공간에서 무인 아제나위성을 길이 30m 로프를 이용하여 회전시켜 이때 발생하는 원심력을 이용하여 인공중력을 만들었습니다. 회전반경과 회전속도에 따라 바깥방향으로 원심력이 발생하게되면 원심력이라는 반중력이 무중력 공간에서는 중력의 역할을 하게 됩니다. 따라서 원심력이 작용하는 방향이 바닥상태가 됩니다.

중력이란 질량을 가진 모든 물질들이 가지고 있는 힘이며, 따라서 우주공간에 중력이 없는 공간은 없습니다. 다만 무중력이란 중력이 없는 것이 아니라 상쇄되어 느끼지 못하는 것입니다. 중력도 상대적이고 작용과 반작용의 법칙이 성립되므로 지구가 달을 끌어당기는 것은 중력이지만, 달의 입장에서는 반중력입니다.

중력과 반중력은 서로 같은 힘에 의한 줄다리기와 같고, 또하나의 반중력인 암흑에너지는 근본이 다른 힘입니다. 즉, 물질이 아닌 반물질의 힘입니다. 동양과학철학에서는 이것을 음(음,陰)과 양(양,陽)의 체질에 따른 힘으로 구분하여 공존하는 하나의 시스템으로 간주합니다. ​반물질은 근본적으로 척력이 강해 물질을 이룰 수 없으므로 주로 작은 입자형태로 존재하며 물질의 경우 물질파, 중력파와 같은 양자역학적 현상을 일으키는 주체가 됩니다.

<원심력(반중력 혹은 중력)을 이용한 스윙바이(중력턴) 항법>​

<참고문헌 및 출처 : [알기쉬운 과학속으로] 개구리가 공중부양! - 아이뉴스24​

​ Artificial gravity - 위키백과>