무重量狀態

무重量狀態 (無重量狀態)는 萬有人力 과 遠心力等의 慣性力 이 서로 相殺되어 그 合力이 0 乃至 0으로 看做 될 수 있는 程度로 작아지고 있는 狀態를 말한다. 無重力이란 正確하게 表現하자면 觀察者와 저울을 包含하는 系全體가 함께 重力에 依해 自由落下 하는 특수한 狀態에서 重力 을 測定할 수 없는 狀態를 말한다. 이렇게 契自體가 自由落下 하는 境遇에는 그 어떤 무게를 가진 物體도 무게가 0이 되므로 겉보기 무게가 0이 된다고 表現하는 것이다. 이런 狀況은 行星, 恒星처럼 큰 質量이 있는 物體로부터 아주 멀리 떨어진 宇宙 한복판에서도 일어나는 現象이다. 宇宙 한복판에서는 周邊에 質量 이 큰 物體가 없다면 萬有引力 이 없어 物體의 겉보기 무게가 0이 되기 때문이다

무重量이라고 하면 重力이 사라지는 狀態를 말하는 無重力 (無重力, zero gravity )과 同義語로 생각할 수도 있으나, 흔히 쓰이는 無重力이란 單語는 相對的으로 重力을 느끼지 못하는 것을 말하지 實際로 重力이 없어지는 것을 의미하진 않는다. ^[1]

後者의 無重力은 重力을 測定하기 어려울 만큼 작은 狀態나 없는 狀態를 말한다. 重力이 地表面上의 1/1000~1/10000 程度로 작은 境遇엔 特別히 微笑重力 ( microgravity )라 하기도 한다.

無重力과 關聯된 用語 [ 編輯 ]

겉보기 무게 [ 編輯 ]

무게의 正確한 定義는 ‘物體에 重力이 作用하는 크기’이다. 사람들은 그들 自身의 體重을 地表面에서의 끌어당기는 힘에 對한 反作用(저울에 올라섰을 때의 垂直抗力 )과 같은 크기로 알고 있다. 萬若自由落下한다면 사람들은 無重力을 經驗할 것이다. 그러나 이때 實際로 사람의 肉體에 重力이 作用하지 않는 것은 아니다. 團地 무게를 재기 위해 저울에 올라갔을 때, 反作用(垂直抗力)이 없기 때문에 잴 수 없는 것이다. 이렇듯 物體에 重力은 存在하나 잴 수 없는 狀態를 겉보기 무게가 영(zero)李 되었다고 말한다.

微笑重力(마이크로 重力) [ 編輯 ]

뉴턴 力學 에 依하면 모든 質量을 가진 物體는 萬有人力 을 지닌다. 地球에서의 重力은 ‘萬有人力+地球自轉에 依한 遠心力’을 意味한다. 宇宙空間에서는 地球自轉에 依한 遠心力이 存在하지 않으므로, 周邊에 存在하는 質量을 가진 物體로 因한 萬有引力만이 重力을 形成한다. 그런데, 萬若周邊에 質量을 가진 物體가 없다면, 恒星, 行星等質量을 가진 物體로부터 매우 멀리 떨어져 萬有引力의 法則 에 依한 힘의 크기가 매우 極小할 境遇, 無重力을 經驗할 수 있게 된다. 卽, 이때와 같이 重力이 存在하기는 하나 그 크기가 無視해도 좋을 程度로 매우 微弱할 때 微笑重力 을 지닌다고 表現하고 無重力과 같은 狀況으로 假定할 수 있다.

無重力의 物理學 [ 編輯 ]

均一한 重力場內에서는 物體에 作用하는 힘이 서로 反對方向이고 크기가 均一하여 物體는 重力을 느끼지 못하게 된다. 例를 들어

바닥에 서 있거나, 椅子에 앉는 것과 같이 重力 과 反對方向으로 作用되는 垂直抗力
飛行機의 날개에 重力 과 反對方向으로 作用되는 陽曆 (lift force)
落下傘을 펼쳤을 때 重力 과 反對方向으로 作用되는 空氣의 抵抗力

等을 살펴보면 重力 과 同一한 크기이면서 가지고 反對方向인 힘( 垂直抗力 , 陽曆 , 抵抗力 )의 存在로 인해 物體는 重力을 느끼지 못하게 된다. 여기서 엘리베이터 를 支撐하는 케이블이 끊어져서 엘리베이터가 自由落下 하는 것을 생각해 보자. 엘리베이터 안의 사람은 떠받들고 있던 바닥 때문에 重力의 影響을 받게 된다는 것을 알 수 있다. 하지만 엘리베이터가 自由落下 를 하게 되면 사람도 같이 自由落下를 하게 되고 사람을 떠받들고 있던 바닥 亦是 엘리베이터와 함께 自由落下해서 重力에 依해 몸이 힘을 받는다는 것을 느낄 수가 없게 된다. 卽, 사람의 몸은 떠있는 셈이 된다. 바로 그러한 狀態가 無重力狀態인 것이다.

人工衛星에서의 無重力 [ 編輯 ]

人工衛星 은 地區周邊의 軌道를 도는 圓運動 을 한다. 이 圓運動은 速力은 일정하지만 方向이 끊임없이 變하는 加速度運動 이다. 따라서 끊임없이 힘을 받고 있다는 意味이며, 이 圓運動을 하도록 만들어주는 힘을 求心力 이라 부른다. 卽, 人工衛星이 地球의 周邊의 軌道를 돌기 위해서는(=원운동하기 爲해서는) 求心力이 必要하다. 이때의 求心力役割은 地區에 依한 重力 ( 萬有引力 )이 될 것이다.

여기서 人工衛星內部에 있는 操縱士들을 생각해보면 宇宙船 안에 있는 操縱士들은 人工衛星과 같이 方向이 바뀌는 加速度運動 을 하게 되므로, 人工衛星에 對한 相對速度 는 恒常 영(zero)李 된다. 따라서 宇宙船 안에 있는 操縱士들은 重力을 느끼지 못하는 無重力狀態가 된다.

宇宙 한복판에서의 無重力 [ 編輯 ]

宇宙 한복판에서는 地球自轉에 依한 遠心力이 없으므로 重力은 萬有引力 과 크기가 같음을 알 수 있다. 뉴턴 의 萬有引力理論을 보면 各各質量 $m_{1}$ 과 $m_{2}$ 를 띠는 두 物體가 있을 때 各物體가 받는 萬有引力 은 다음과 같다.

$F=G{m_{1}m_{2} \over r^{2}}$

卽, 質量 $m_{1}$ 을 지닌 어떤 物體가 놓여 있다고 周邊에 位置하고 있는 質量 $m_{2}$ 을 지닌 物體가 있다면 質量 $m_{1}$ 을 지닌 物體는 萬有引力의 法則에 依해 計算된 만큼의 힘을 받는데, 이 힘이 바로 重力이다. 그러나 萬若宇宙 한복판에 物體가 놓여 있다고 假定해보면(여기서 宇宙 한복판이라는 意味는 周邊에 行星 , 恒星 과 같은 큰 質量 을 지닌 物體가 없음을 의미한다.), 이 때는 物體는

$G{m_{1}m_{2} \over \infty }$

만큼의 重力 을 가지게 되는데 이 크기는 거의 영(zero)에 近似하게 된다. 따라서 宇宙 한복판에 있는 物體는 無重力狀態가 된다.

行星의 中心에서의 無重力 [ 編輯 ]

萬若 사람이 行星 의 中心에서 죽지 않을 수 있다면, 그들은 어떠한 追加的인 條件없이도 無重力狀態를 經驗할 것이다. 이것은 사람 外部에 있는 行星에 依한 重力이 모든 方向으로 均一하게 位置하고 있기 때문에 可能해진다. 따라서 사람에 作用하는 알짜힘 은 0이 되고, 無重力狀態가 된다.

無重力에서의 經驗 [ 編輯 ]

無重力狀態에서는 뉴턴의 運動法則 이 쉽게 適用된다.

重力이 없다는 것은 重力에 依한 摩擦力 이 없다는 것이기 때문이다. 사람은 걸을 때 바닥에 힘을 주어야 한다. 하지만 重力이 없다면 意圖하지 않고는 바닥에 힘을 주지 못하게 되고 摩擦力이 “0”李 되기 때문에 걸어가지 못하며 空中에 떠다닐 수밖에 없다. 따라서 移動을 하고자 할 때는 反對方向으로 힘을 주어 그에 對한 反作用으로 나아가게 된다.

無重力狀態에선 모든 物體의 무게가 “0”李 되기 때문에 物體를 空中에서 놓게 되면 그대로 떠 있게 된다. 따라서 팔이나 다리를 空中에 들고 있어도 全혀 힘들지 않다.

몸의 均衡 을 잡는 것 亦是 힘들어진다.

귀 속에 있는 세半고리管 이 方向과 位置를 느끼게 해주는데 重力 이 없어지면 세半고리管 이 作動하지 않아서 均衡을 잡기 힘들어지고 甚至於는 멀미까지 하게 된다. 또, 팔다리를 움직일 때마다 角運動量法則 때문에 몸 自體가 回戰 하게 된다. 그래서 몸을 마음대로 움직이는 것이 쉽지 않다. 또한 化粧室에서 用便을 볼 때에도 몸을 묶지 않으면 作用反作用法則 에 依해 이리저리 몸이 밀리게 된다. ^[2]

그 外

물을 無重力空間에 뿌리면 重力이 없는 狀態에서의 물 分子間의 人力 과 表面張力 으로 인해 舊(sphere) 模樣으로 뭉치게 된다. 빨대로 물 속에 氣泡를 불어 넣으면 氣泡가 올라오지 않고 물 속에 그대로 있는 現象도 나타난다. 洋초에 불을 붙여보면, 불에 依해 뜨거워진 空氣는 가벼워져서 위로 올라가고 차가워진 空氣는 무거워져 내려온다는 “ 對流 ”에 對해서 工夫했을 것이다. 하지만 無重力空間에서는 對流가 일어나질 않아서 바로 꺼지게 된다. 燃燒 에 依해 만들어진 二酸化炭素 가 촛불을 감싸고 酸素 의 供給을 遮斷하기 때문이다.

最近에는 이런 無重力狀態를 놀이器具製作에 應用하고 있다. 最近에 流行하고 있는 놀이 器具인 “ 자이로드롭 ”이란 놀이 機構도 짧은 瞬間이지만 無重力狀態를 經驗하게 해준다. 宇宙空間에서는 繼續해서 無重力狀態가 持續되기 때문에 놀이 器具를 탈 때의 이러한 야릇한 느낌이 持續되게 된다. 宇宙空間에서 任務를 遂行하여야 하는 宇宙飛行士들은 無重力狀態에 익숙해야 하는데, 놀이器具와 비슷한 原理로 訓鍊을 하며 無重力狀態에 適應하게 된다.

無重力狀態와 우리 몸의 變化 [ 編輯 ]

宇宙停車場 에서 오랫동안 無重力狀態를 經驗한 사람을 調査한 結果, 無重力이 人間의 健康에 해롭다는 것이 밝혀졌다. 사람은 地表面에서 사는 데 가장 적합하도록 身體가 構成되어 있다. 이 때문에 無重力狀態가 오랫동안 持續된다면, 人間의 다양한 生理시스템에 問題가 發生한다. 가장 普遍的으로 人間이 無重力狀態를 經驗할 때의 問題는 바로 宇宙適應症候群 이 알려진 것이다. SAS의 證候는 嘔吐, 頭痛, 眩氣症, 不安感等이 있다. SAS의 첫 番째 事例는 1961年體먼 티토프(Gherman Titov)이다. 그 以後로 宇宙經驗을 한 사람의 45퍼센트以上이 이 症候群을 經驗하였다.

無重力狀態에서는 關節에 있는 軟骨에 荷重이 걸리지 않게 되어 키가 若干 커지게 된다. 그러나 이것은 相對的으로 關節이 弱해지는 것을 意味한다. 本來人間의 筋肉 과 뼈 는 重力을 통해 단단해진다. 그러나 오랫동안 無重力狀態가 되면 筋肉과 뼈의 칼슘 , 미네랄은 한달에 1.5퍼센트以上씩 빠져나가게 되고 結果的으로 쉽게 分解된다. 따라서 無重力狀態의 人間은 運動을 꾸준히 해줘야 한다. 實際宇宙停留場에서 1年以上勤務하였던 宇宙飛行士가 地球로 歸還하면, 한동안 누워있거나 휠체어 身世를 지게 된다.

地球上에서는 重力 때문에 下體에서 흐르는 血液이 上體로 移動하는 데 어려움을 느낀다. 따라서 瓣膜等이 存在하여 下體의 血液을 上體로 보낸다. 그러나 無重力狀態에서는 血液의 移動이 매우 느리고, 瓣膜 때문에 血液이 上體에 集中되는 現象이 發生한다. 따라서 上半身의 血壓이 上昇하게 되고, 組織細胞로의 物質移動이 잦아져서 組織細胞 사이 間隔이 벌어지게 되어 全體的으로 얼굴이 붓게 된다.

다른 重要한 效果는 血液循環問題, 心臟血管系統의 鈍化, 赤血球 의 生産減少를 包含해서, 均衡成長障礙, 免疫體系의 弱化, 睡眠妨害等이 있다. 最近에는 無重力狀態에서 人間의 여러 機關에 다양한 影響을 끼치는 것을 參考로 많은 醫療機器가 製作되고 있다. 例를 들어, 無重力狀態에서 脊椎 디스크 의 높이가 增加되는 것을 參考로 無重力減壓治療機等이 製作되어 市販되고 있다.

人工重力 [ 編輯 ]

기타 [ 編輯 ]

無重力과 眞空의 區別 [ 編輯 ]

無重力狀態라고 하면 大槪空氣가 없는 眞空狀態 와 混同을 하게 된다. 宇宙空間은 힘의 平衡에 依해 無重力狀態이며, 完全하지는 않지만 거의 眞空(vacuum)에 가까운 狀態이다. 宇宙空間에서의 大部分이 眞空, 無重力이기 때문에 必然的인 聯關性을 가지고 있다고 생각하기 쉬운 것이다. 그러나 宇宙飛行士들이 머무르는 宇宙船亦是無重力이지만 眞空狀態는 아니다. 氣體가 주는 壓力이라는 것은 氣體分子 사이에 서로 밀어내는 平均的인 힘에 比例하는 양으로 解釋된다. 地球 위에서는 이 힘이 萬有引力에 依해서 地球方向으로 作用해서 指標 가까이 올수록 漸漸 더 增加한다. 卽, 指標 위에 存在하는 空氣分子들이 地球重力에 依해서 地球 쪽으로 잡아 당겨지면서 分子들끼리 衝突하고 밀어내는 힘이 增加하여 壓力이 形成된다고 본다. 提示文에 言及한 바대로 宇宙停車場 안에서는 重力을 느낄 수가 없다. 그러므로 宇宙停車場 안의 空氣들도 地球 쪽 方向으로 힘을 받지 않는다. 하지만 일정한 부피를 같는 空間 안에 氣體分子들을 밀어 넣어 놓으면 氣體分子들은 運動하면서 서로 衝突하고 壁과 衝突하면서 힘을 주고받는다. 이런 分子사이의 힘이 壓力으로 나타나는 것이다. 그러므로 宇宙停車場에서의 壓力의 크기는 밀어 넣어 준 空氣의 量에 따라 달라진다고 봐야 하고, 높이나 位置에 따른 壓力의 差異는 없다. 이에 따라 壓力의 差異에 依해서 나타나는 浮力도 나타나지 않는다.

같이 보기 [ 編輯 ]

各州 [ 編輯 ]

↑ 參考로, 100 킬로미터의 上空에서 重力은 表面에서보다 오직 3퍼센트 程度 작아질 뿐이다.
↑ 甚至於 방귀를 뀔 때에도 操心해야 한다.

外部 링크 [ 編輯 ]

위키미디어 公用에 무重量狀態關聯 미디어 分類가 있습니다.

[1] 參考로, 100 킬로미터의 上空에서 重力은 表面에서보다 오직 3퍼센트 程度 작아질 뿐이다.

[2] 甚至於 방귀를 뀔 때에도 操心해야 한다.

[1]

[2]