무중력 상태

우주 왕복선을 타고 있는 우주 비행사는 어떠한가? 그들은 "무중력" 정의에
따르면 아니다. 왕복선 고도에서의 중력 가속도는 지표에서의 값의 93%가량
된다. 그래서 왕복선과 비행사들의 중력 m g는 지구에서의 값과 거의 같다.

그러나 비행사들은 무중력인 것처럼 생각하며 실로 무중력이라 느낀다(그림 5-14).
어떻게 된 일인가?
당신은 케이블이 끊어진 승강기 안에 있어 중력의 가속도 g로 아래로

낙하하고 있다고 상상하자. 다시 말하면, 승강기와 승객이 중력만을 받아

자유낙하(free fall)하고 있다. 들고 있던 책을 놓으면, 책도 가속도 g로 자유
낙하한다. 주위의 그 밖의 모든 것이 자유낙하 한다―그래서 책은 당신에 대해
서 정지하여 있게 된다(그림 5-15a). 손에서 떨어진 책은 낙하하는 것같이 보이
지 않기 때문에 당신에게는 책이 "무중력"으로 보인다. 또한 당신도 "무중력"이다. 

당신이 승강기의 바닥에서 뛰면 바닥에 되돌아오지 않고 천장으로 뜨게 된
다. 물론, 당신도 책도 승강기도 모두 낙하하지만, 모두 가속도가 같으면 느끼지 

못한다. 중력은 여전히 작용하고 있다. 이것이 당신을 낙하하게 한다. 그래서
실제로 당신에게는 무게가 있으며, 당신의 상태를 겉보기 무중력(apparent

weightlessness)이라는 용어로 표현된다.

 

그림 5-15 자유낙하 하는 물체들은
그들의 기준틀과 동일한 가속도 운
동을 하고 있으므로 무중력으로 보
인다. 무중력 상태는 궤도 운동을
하는 우주선 안에서처럼 지구 표면
근처에서 자유낙하 하는 승강기 

안에서 일어난다. 이 두 경우 사람, 

책 및 승강기 또는 우주선이 모두 

지구를 향하여 가속되기 때문에, 

모두 주위에 대한 가속도가 없다.

 

낙하하는 승강기는 위험한 장소이다; 당신이 지면에 부딪힐 때 중력이 아닌
접촉력들에 의한 치명상으로 당신의 겉보기 무중력 상태는 끝날 것이다. 그러나
궤도운동을 하는 우주선처럼 지구와 충돌하지 않는 자유낙하에서는 영구적으로
겉보기 무중력상태가 일어난다(그림 5-15b). 우주 비행사들이 무중력을 느끼는
것은 외계에 있기 때문이 아니다; 승강기에 탄 운 나쁜 승객처럼 중력만의 영향으로

자유낙하를 하기 때문이다. 궤도 운동하는 우주선 내의 겉보기 무중력 상태를

종종 "미소중력(microgravity)"이라고 부른다.

 

개념 파악
어떤 아동용 책자에서는 우주에는 전혀 중력이 없다고 설명하면서 우주 비행사의

무중력을 소개하고 있다. 우주에 아무런 중력이 없다면 우주 왕복선, 인공위성 및 

달의 운행은 어떻게 될까?

 

힘의 합성
지금까지 다른 예제는 물체에 작용하는 단일 힘만을 고려했다. 그러나 가끔
몇 개의 힘이 작용하기도 한다. Newton의 제2 법칙으로 가속도를 결정하는 힘
이 개개의 상호 작용력들의 벡터 합―알짜 힘 F 알짜―인 것을 강조해 왔다.

제2 법칙을 사용할 때마다 알짜 힘이 중요하다는 것을 강조하기 위해 F 알짜를

써왔다. 알짜 힘이 각각의 상호 작용력의 벡터 학이라는 사실을 독자들에게 

유의시키기 위해 일부 책에서는 ∑ F = m a로 쓰기도 한다.
Newton의 법칙을 처음 다루는 이 장에서 1차원에서만 힘의 합성을 고려하기로 

한다. 그러나 힘도 벡터이다. 그래서 알짜 힘을 구하는 것은 일반적으로 벡터 

합성과 관련된다. 다음 장에서 2, 3차원에서의 Newton의 법칙을 다루게 될
것이다.

 

개념 파악

예제 5-7에서 승강기가 위쪽으로 가속된다고 했다. 이것을 반드시 위쪽으로

운동해야 한다는 뜻인가? 속도와 가속도의 차이점에 관해서 생각해 보자.

예제 5-7을 푸는데 케이블의 장력이 승강기의 무게보다 큰 것을 알았다. 이것은

다음의 어느 경우에 옳은가?

(a) 승강기를 정지 상태에서 출발하여 가속되어

     위쪽으로 향한다.

(b) 승강기는 위쪽으로 운동하다가 감속되어 정지한다.

(c) 승강기는 정지에서부터 출발하여 가속되어 아래쪽으로 운동한다.

(d) 승강기를 아래쪽으로 유동하다가 감속되어 정지한다.