[물리] 중력

중력

 우리가 지구 밖으로 떨어지지 않는 것, 밀물과 썰물이 생기는 것, 지구가 태양 주위를 도는 것, 모두 다 중력에 의해 발생하는 일이다. 중력은 우주와 생물 등 거시적, 현시적 공간에서 큰 영향을 준다. 우리 인류는 과거부터 계속해서 새로운 연구를 진행함으로써 새로운 사실들을 밝혀내고 있다.

• 중력 연구의 역사

1. 갈릴레이 
 인류가 살아오면서 중력은 땅에서 난 것은 땅을 향해 돌아온다고 정도만 생각했다. 그러나 17세기에서부터 중력 연구는 큰 도약을 했다. 갈릴레이는 사고 실험으로 기존의 무거울수록 빨리 떨어진다는 통념을 깼다. 그 사고 실험은 다음과 같다. 무거운 물체를 A라 두고 가벼운 물체를 B라고 둔다면 A가 B보다 더 빨리 떨어질 것이다. 이때 A와 B를 실로 묶는다면 A는 B의 가벼움 때문에 따로 떨어질 때 보다 느리게 떨어질 것이고 B는 A의 무거움 때문에 B는 더 빨리 떨어져야 한다. 근데 A와 B가 묶인 것을 한 물체로 보면 A, B보다 더 빨리 떨어져야 한다. 상대적으로 느려지는 B와 모순점이 생기는 것이다. 이로써 갈릴레이는 중력 가속도는 질량과 관계없이 동일하게 작용한다는 것을 알아냈다.

2. 케플러
 독일의 천문학자 케플러는 티코 브라헤의 천문 관측 자료를 바탕으로 행성운동법칙을 만들어냈다. 그중 가장 유명한 법칙인 케플러의 조화 법칙은 행성들이 항성 주위를 원운동 할 때의 공전 주기와 행성 궤도의 반지름이 일정한 비례관계를 가지고 있음을 설명한다. 조화 법칙은 추후 뉴턴이 만유인력 법칙을 만들어내는 데에 밑거름이 되었다.

3. 뉴턴 
 그 후 영국의 물리학자이자 수학자인 뉴턴이 만유인력 공식을 만들어 내면서 중력 연구의 새로운 지평을 열었다. 앞의 만유인력 공식은 뉴턴보다 앞선 과학자인, 케플러의 조화 법칙을 증명해낼 수 있었다. 하지만 뉴턴이 주장한 만유인력은 질량이 있는 물체 간의 끌어당기는 힘이라는 이론이 아인슈타인의 일반상대성이론으로 갈아엎어졌다.

4. 아인슈타인
아인슈타인은 중력을 공간의 휘어짐으로 정의 내리고 강한 중력이 시공간을 왜곡한다고 했다. 이 왜곡됨이 질량이 0인 빛도 중력의 영향을 받게 만들어 뉴턴이 ‘주장한 질량을 가진 물체 간의 끌어당김’이 틀렸다고 말했다. 아래 그림처럼 공간이 왜곡되면 빛이 나아가는 경로도 더 길어지게 된다. 이때 광속은 일정해야 하기 때문에 빛이 나아가는 거리가 늘어남에 따라 시간도 늘어난다(느려진다는 뜻). 그래서 블랙홀 근처에 있다면 지구에 있는 사람들보다 상대적으로 시간이 느리게 지나갈 것이다. 게다가 이러한 성질 때문에 중력렌즈라는 현상이 생긴다. 아주 멀리 있는 천체가 지구까지 도달하기 위해서는 수많은 은하와 성단들을 거쳐 와야 하고 그 과정에서 매우 큰 중력에 의해 빛이 휘어진다.

 5. 상호작용
이 외에도 현대물리에서는 중력을 우주의 4가지 상호작용(강력, 전자기력, 약력, 중력)중 하나로 정의한다. 중력은 상호작용 중 가장 약하지만 가장 넓은 범위에 영향을 미치는 힘이다. 중력은 중력자라는 입자로 매개될 것으로 예측하지만 아직은 가상의 입자 혹은 양자이다.

반응형

• 중력이 생물에 미치는 영향
  

1. 지구 환경 조성
 중력은 지구 환경을 조성하여 인간과 같은 생물에게도 큰 영향을 준다. 중력은 지구 대기에 있는 공기들을 우주로 나가지 않게 잡아주어 생명체가 숨을 쉴 수 있게 해 준다. 바다, 강 등의 수권을 유지시켜주는 것은 물론이고 비나 눈을 내리게 하는 기상현상도 관장한다. 지구가 초기에 생성되었을 때 지각을 형성하는 것도 중력이 담당하였다. 지구의 중력뿐만 아니라 달의 중력도 지구에 특정한 변화를 일으키는데 바로 밀물과 썰물이다. 이와 같은 조수 간만의 차는 갯벌을 만들고 지구 생태계의 다양성을 확장시켜준다.

2. 진화론적 영향
 진화론적 관점에서의 중력은 식물들이 땅속으로 뿌리를 박을 수 있도록 유도해주고 동물들이 중력을 이용해 평형 및 방향 감각을 찾도록 만들어 준다. 중력 덕분에 동물들의 골격과 근육이 발달할 수 있었다. 만약 중력이 없었더라면 중력을 지탱할 골격이 필요 없었을 것이고 우리는 골다공증과 같은 질병을 달고 살았어야 했을 것이다.

• 중력의 공학적 이용

1. 우주 속도
 우주는 중력이 작용하는 광범위한 공간이다. 우리 인간은 우주에서 중력을 이겨내고 활용해야 한다. 우리가 GPS, TV를 쓸 수 있는 것은 인공위성 덕분인데 인공위성을 지구 주위에 올려놓으려면 지구의 중력을 이겨내야 한다. 이론적으로 중력에 의한 위치에너지는 해수면을 기준으로 계산한다. 이때 인공위성에 작용하는 구심력을 중력과 같다고 설정하면 인공위성은 지구궤도에서 원운동 할 수 있는 것이다. 약 7.91m/s가 제1 우주 속도로 인공위성을 7.91m/s의 속도로 발사하면 지구 궤도에서 원운동을 할 수 있다. 반면, 화성이나 달에 가기 위해서는 지구의 중력 영향권에서 완전히 벗어나야 한다. 이 때는 지구에서 무한대만큼 떨어졌을 때의 위치에너지만큼 운동에너지를 지녀야 지구 궤도에 올라갈 수 있다. 약  11.19km/s가 지구를 탈출할 때 필요한 속력이다. 물론 지속적인 추진력의 공급이 없을 때만 해당하고 실제 위성은 특정 속도를 계속 유지하면서 지구 대기권을 벗어난다.

 2. 스윙바이항법

 행성의 중력을 활용하는 우주항법이 있다. 스윙바이항법이다. 우리말로는 중력 도움 항법이라고도 하며 쉽게 말해 어떤 천체에 가까이 갔다가 속력을 얻고 난 뒤 멀어지는 것이다. 위 그림처럼 행성에 가까이 가서 그 행성의 중력으로 가속을 하여 속력을 얻는다. 만약 방향이 바뀐 상태로 스윙바이를 한다면 반대로 속도를 늦출 수 있다. 그러나 스윙바이를 하다가 해당 천체의 중력에 사로잡히면 달과 같이 위성이 되거나 천체에 추락하여 파괴될 것이다. 추가적으로 스윙바이를 하면 해당 비행체뿐만 아니라 그 행성도 공전 속도에 영향을 받게 된다. 실제로 1989년 갈릴레이호가 지구에서 스윙바이를 사용하는 바람에 지구의 공전 속도는 1억 년 동안 1.2cm만큼 늦춰졌다.

• 중력 연구의 현주소

1. 인공중력

중력에 대한 연구와 관심은 현재도 끊이지 않고 있으며 다양한 방면으로 성과가 나타나고 있다. 그중 하나가 인공중력을 만드는 것이다. 우주에서 인간이 살아가기에는 무중력은 적응해야 한다는 단점이 있으므로 인공적으로 중력을 만들어야 하고 그 원리에 원심력이 사용된다. 이처럼 속이 빈 원통 안에 사람이 있을 때 이 원통이 매우 빠른 속도로 돌면 사람은 원심력을 받게 되고 이 원심력이 중력으로 느껴질 것이다. 1966년에 인공 중력 실험을 하였으나 조종사는 실제로 느끼지 못했고 아주 가벼운 물체만 아래로 떨어지는 정도였다. 아직까지 사람이 인지할 수 있는 규모의 중력은 만들 수 없다.

2. 블랙홀 연구
 중력의 관한 연구는 블랙홀까지 포함한다. 블랙홀은 매우 큰 질량의 별이 초신성 폭발 이후 한계 질량을 돌파하게 되면 해당 천체는 끝없이 수축한 것이다. 수축도가 임계점에 다다르면 천체는 붕괴되고 블랙홀이 나타난다. 블랙홀은 2018년 5월의 새로운 적외선 관측에 따라 중력 적색편이로 증명되었다. 중력 적색편이란 별에서 나오는 빛이 블랙홀의 중력에 의해 그 파장이 길어지는 현상이고 이것은 상대성이론에 의한 예측과 정확하게 일치한다. 최근 아인슈타인은 언급한 중력파라는 파장의 발견이 과학계를 주목시킨 블랙홀의 뒷받침 거리이다. 중력파는 2015년도부터 첫 관측이 되었고 2017년까지 총 4번의 관측으로 그 존재가 입증되었다. 우주에서의 매우 큰 폭발이나 충돌이 주변 중력장에 큰 충격을 주어 시공간의 일그러짐이 빛의 속도로 파도처럼 전달된다.

수식이 포함된 중력에 관한 한글 파일입니다.
공식 유도과정이 담겨 있습니다.
필요하신 분은 다운받아가세요.

목차
1. 중력 연구의 역사
   - 갈릴레이, 케플러
   - 뉴턴(만유인력)
   - 아인슈타인(일반상대성이론)
2. 중력이 생물계에 미치는 영향
   - 지구 환경 조성
   - 진화론적 영향
3. 중력의 공학적 이용
   - 우주 속도
   - 스윙바이 항법
4. 현대의 중력 연구
   - 인공중력
   - 블랙홀, 중력파 

중력.hwp

0.36MB

 

 

출처: 위키백과