[과학을읽다]우주에서 '중력'없다고 힘 함부로 쓰면?

중력이 없는 우주 공간에서 인간이 다른 물질에 힘을 가했다면 어떻게 될까요? [사진=유튜브 화면캡처]

[아시아경제 김종화 기자]우주 공간에는 지구의 중력이 작용하지 않습니다. 중력이 작용하지 않는다는 것은 '수직항력'이 '0'이라는 말입니다. 수직항력은 표면에 수직으로 작용하는 힘입니다. 다시 말하면, 중력이 작용하지 않으면 무게가 '0'이 된다는 뜻입니다.

지구에서 무게가 1톤(t)인 바위는 중력이 작용하지 않는 우주 공간에서는 무게가 0이 됩니다. 우주 공간에서 이 바위는 지구에서와 달리 무게가 없는 종잇장 같이 느껴지겠지요. 재미삼아 이 바위를 밀거나 던져보면 어떨까요?

우주 공간에서 중력이 없다고 중간에 놓인 물체를 함부로 움직이거나 건드리는 것은 예상치 못했던 문제를 일으킬 가능성이 큽니다. 시험삼아 바위를 건드리거나 움직여서는 결코 좋은 일이 일어나지 않을 확률이 더 높다고 봐야 합니다. 바로 '작용과 반작용의 법칙' 때문입니다.

모든 물질은 '질량'을 가지고 있습니다. 어떤 상황에서도 달라지지 않는 물질 고유의 양이 질량입니다. 이 질량은 중력이 없는 우주 공간이라고 해도 변하지 않는 고유의 값입니다. 지구에서 무게가 1t이던 바위가 우주 공간에서 0으로 변했어도, 질량은 그대로 1t라는 의미입니다.

무게는 질량에 중력가속도(g)를 곱한 것으로, 물체가 지구의 중력에 의해 받는 힘을 말합니다. 지구에서 체중이 70㎏인 성인 남자가 우주 공간에서는 체중은 0㎏이지만, 질량은 그대로 70㎏이라는 것입니다. 즉 질량 70㎏은 절대로 변하지 않습니다.

무게가 느껴지지 않는, 질량 1t의 바위를 우주 공간에서 밀면 어떤 일이 발생할까요? 작용 반작용의 법칙에 따라 미는 사람도 힘을 전달받게 됩니다. 바위가 힘을 받은 만큼 민 사람에게 그 만큼의 힘이 전달된다는 것은, 거울을 보며 내 머리에 꿀밤을 놓는 것과 비슷한 느낌 아닐까요?

작용 반작용의 법칙을 가장 이해하기 쉬운 예는 풍선입니다. 풍선을 분 다음 입구를 손으로 막고 있다가 놓으면 풍선 속의 공기가 빠져나오면서 풍선이 튀어 나가는 것과 같은 원리입니다.

이 때 풍선은 공기가 빠져나가는 방향과 반대로 움직이지요. 우주 공간으로 날아가는 로켓의 발사 원리가 바로 이 풍선에서 바람이 빠지는 원리와 같습니다. 로켓이 위로 솟구치기 위해 연료를 연소시켜 엄청난 속도로 가스를 밀어내면, 로켓은 그 반대 방향으로 나아가는 힘을 얻게 되는 것입니다.

다시 우주 공간으로 돌아가서, 바위를 사람이 밀면 바위는 민 방향으로 나아가게 되고, 민 사람은 바위와 반대 방향으로 힘을 받아 밀려가게 됩니다. 우주 공간에서는 별도의 마찰이 없어 바위도, 바람도 멈추지 못하고 계속 날아가게 됩니다. 그러다 어떤 별의 궤도나 중력에 말려들거나, 유성과 부딪힌다면 멈출 수 있겠지요.

우주 공간을 유영 중인 우주인들의 모습. 모두의 안전을 위해 규칙 외 어떤 돌출행동도 하지 않습니다. [사진=유튜브 화면캡처]

특히 명심해야 할 점은 질량 70㎏의 남자가 질량 1t의 바위를 밀었다면, 두 물체에 가해지는 힘은 같지만 운동량은 달라집니다. 질량이 더 작은 70㎏의 남자는 바위보다 훨씬 더 빠른 속도로 날아가게 됩니다. 질량 70㎏의 남자는 건드리지 말아야 것을 건드린 셈이라고 할 수 있습니다.

공상과학(SF) 영화를 보면, 등장 인물들이 우주 공간에서 날아가거나 움직일 때 분사기구를 쓰거나 와이어로 연결돼 있습니다. 우주선 등에 부딪힐 때 반드시 어딘가를 잡고 멈추려 애쓰는 장면이 나오는 것도 이유가 있는 것입니다. 영원히 우주 공간을 날고 있어야 한다는 사실을 알기 때문입니다.

우주 공간뿐 아니라 지구에서의 생활도 마찬가지 아닐까요? 불필요한 힘 자랑이 반향을 일으켜 곤란에 처한 사례가 적지 않습니다. 이런 경우를 '나비효과'라고 하는 것이 맞을까요? 아니면, 작용 반작용의 법칙이거나 '질량 불변의 법칙'이라고 하는 것이 맞을까요? 무생물인 물체는 모르지만 생물인 인간의 행동은 '자업자득의 법칙'이라고 하는 것이 맞지 않을까요?

김종화 기자 justin@asiae.co.kr