우주여행을 위한 지구탈출

사람들이 언제부터 우주여행을 꿈꾸었는지 정확히 알 수는 없지만, 우리가 꿈꾸는 우주여행의 출발은 지구를 떠다니는 것부터 시작해야 하겠지요?

 

고무풍선을 불어서 입구를 손가락으로 잡아 공기가 빠져나가지 않게 해 봅시다. 이렇게 부풀어진 풍선을 손가락으로 막았을 때, 풍선 안의 공기는 모든 방향을 향해 똑같은 힘으로 즉, 풍선을 팽창하는 방향으로 밀어낼 것입니다. 그래서 풍선은 동그란 모양이지요.

 

하지만 잡고 있는 손을 놓아주어 풍선을 자유롭게 날아가도록 한다면 공기가 풍선으로부터 빠져나가 풍선이 작아지면서 방 안을 날아다닐 것입니다. 공기가 빠져나가고 있는 풍선의 입구는 이쪽저쪽으로 움직이며 배의 키처럼 작용하고, 풍선은 공중을 이리저리 날아다니며 방향을 예측할 수 없는 운동을 할 것입니다.

 

이처럼, 우주선이 날아가는 것도 풍선이 날아가는 것과 같이 모든 작용에 대하여 같은 크기의 반대 방향으로 작용하는 반작용이 있다는 뉴턴의 운동법칙에 의한 것입니다.

 

풍선의 고무는 부풀어지기 전으로 돌아가려는 성질에 의해 풍선 내부의 공기를 눌러서 밖으로 나가게 하고 풍선을 빠져나간 공기는 반대로 풍선을 앞으로 미는 반작용으로 풍선을 앞으로 나아가게 합니다.

 

 

우주선도 풍선과 마찬가지로, 작용-반작용의 힘으로 앞으로 나갈 수 있는 것입니다. 우주선의 엔진은 가스를 만들고, 가스는 배기장치를 통해 밖으로 나오는 작용을 하게 되고 배출되는 가스는 우주선에 힘을 가하는 반작용으로 우주선을 앞으로 밀게 되는 것입니다.

 

하지만 이러한 우주선이 지구를 출발하여 우주를 향해 여행을 출발하려면 지구의 중력이 우주선을 끌어당기는 ‘지구의 중력권’을 벗어날 만큼의 힘을 가져야 합니다. ‘지구의 중력권’이란 지구의 중력이 영향을 미치는 범위를 말하는 것입니다.

 

우주선이 지구를 탈출할 만큼의 힘을 얻기 위해 우주선의 속도를 끌어올리는 방법은 무엇일까요?

 

일단, 추진력을 높여야겠지요. 자동차도 엔진 출력이 강하면 강할수록 빠른 속도를 낼 수 있으니 우주선에 아주 큰 연료통을 연결하여 연료를 가득 채워 발사 준비를 합니다. 하지만 지구를 탈출할 만큼의 빠른 속도를 내기 위해서는 우주선에 고성능의 엔진과 엄청난 양의 연료를 실어야 하고 연료가 가득 싣게 되면 로켓의 무게가 무거워져 무게에 비례하는 지구 중력을 더 강하게 받게 됩니다. 그럼 어떻게 해야 할까요?

 

무거운 연료통의 문제는 과거 소련의 물리학자인 치올코프스키의 아이디어로 해결되었답니다. 치올코프스키는 무겁고 커다란 연료통과 연료의 무게 때문에 우주선에 작용하는 지구 중력의 문제를 3단 로켓 아이디어로 해결하였습니다.

 

3단 로켓은 치올코프스키가 처음 생각한 것으로 로켓의 연료를 하나에다 가득 담아서 우주선에 연결하는 것이 아니라 연료를 1단, 2단, 3단으로 나누어서 담으면 발사되면서 다 사용한 연료통은 차례대로 버릴 수 있기 때문에 우주선의 전체 무게가 줄어들 것이고 우주선이 솟아오르는 것도 한결 가뿐해질 것입니다.

 

한 가지 더 생각해 보아야 할 문제가 있습니다. 우리가 놀이동산에서 회전목마를 타고 있다고 생각해 볼까요? 회전하고 있는 회전목마 위에서 놀이 기구 밖에 있는 친구에게 무언가를 건네준다면 회전목마가 회전되고 있는 방향과 같은 방향으로 물건을 던지거나 회전되고 있는 반대 방향으로 물건을 던지는 두 가지 경우가 있을 것입니다.

 

어떤 경우가 놀이기구 밖에 있는 친구에게 물건을 건네주기가 쉬울까요? 같은 속도로 물건을 던진다면 회전방향으로 물건을 던질 때 더 멀리 나아갈 것이고 같은 거리에 친구가 서 있다면 회전방향으로 물건을 던질 때 더 작은 힘이 들 것입니다. 왜냐하면, 회전하는 방향과 같은 방향으로 물건을 던지면 회전되고 있는 회전목마 놀이기구가 날아가는 물건에 속도를 더해주기 때문입니다.

 

우주선도 마찬가지입니다. 태양계 행성들은 정지해 있는 것이 아니라 자전하고 공전하는 회전 운동을 하고 있으므로 지구에서 우주선을 발사할 때도 지구가 자전하는 방향으로 우주선을 발사하면, 그만큼의 속도 이득을 본다는 말이지요.

 

지금까지 우리는 우주선이 ‘지구 중력권’을 벗어나 지구를 탈출하는 것에 대해 생각해 보았습니다. 하지만 우리가 우주여행을 마치고 지구로 돌아온다면 지구 중력이 우리를 잡아당겨 주어서 우리를 맞이해 주겠지요? 이제, 모든 문제가 해결되었으니 가벼운 마음으로 우주를 향하여 출발해 볼까요?

 

김현이 (서울면동초등학교 교사)

 

 

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