인공위성이 추락하지 않는 이유

이전 글을 통해 국제우주정거장(ISS)과 두 번째 국제우주정거장인 루나 게이트웨이에 대해 살펴보았습니다. 그런데 ISS의 무게만 해도 420톤에 이른다고 하는데, 어떻게 우주정거장은 그렇게 무거운데도 땅에 떨어지지 않는 것일까요? 우주정거장 역시 일종의 인공위성인데, 수많은 인공위성들은 과연 어떤 원리로 떨어지지 않고 계속 떠있을 수 있을까요? 이번에 알아볼 주제는 인공위성이 땅에 떨어지지 않는 이유입니다.

 

1. 중력과 원심력

중력이란 질량을 가진 두 물체가 서로 끌어당기는 힘인 만유인력과 자전에 의한 원심력이 모두 고려된 힘입니다. 만유인력에 비해 원심력이 작용하는 힘은 미약하기 때문에 만유인력과 같다고 이해해도 무방합니다. 지구상에서 중력도 지구 중심으로 향하는 힘이라 생각하시면 이해하기 쉽습니다.

 

여러분이 돌맹이를 하늘을 향해 던진다면 그 돌멩이는 일시적으로는 떠오를 수 있지만 그 속도가 점차 줄어들고 결국에는 땅에 떨이지게 됩니다. 돌멩이에 계속해서 중력이 작용하기 때문이죠. 돌멩이를 더 세게 던지면 어떻게 될까요? 더 높이 떠오르긴 하겠지만 마찬가지로 떨어집니다. 그렇다면 중력의 크기만큼 하늘을 향해 계속해서 힘을 작용시킨다면 어떻게 될까요? 돌멩이는 공중에 가만히 떠있게 될 것입니다. 이것이 바로 인공위성이 땅에 떨어지지 않고 계속 떠있는 원리가 되겠습니다.

 

반응형

 

이제 이 중력의 개념을 원운동으로 가져오면 됩니다. 

 

구심력과 원심력 (출처: 네이버 지식백과)

 

위 그림과 같이 한 물체가 원운동을 할 때, 원운동을 할 수 있도록 원의 중심방향으로 향하는 힘이 구심력입니다. 원심력은 구심력과 반대 방향으로 작용한다고 보는 가상의 힘으로 일종의 관성력입니다. 운동속도가 빠를 수록 원 궤도를 유지하기 위한 구심력이 커지게 되고 그만큼 원심력도 커지게 됩니다.

 

인공위성이 지구 주위를 돌고 있는 것도 일종의 원운동으로 볼 수 있는데, 인공위성에 작용하는 지구의 중력이 구심력 역할을 한다고 보면 됩니다. 이때 인공위성이 중력 크기만큼의 원심력을 가질 수 있도록 특정 속도에 도달하면 중력과 원심력이 서로 조화를 이루어 떨어지지 않고 그 궤도를 유지할 수 있는 것입니다.

 

고도에 따라 중력의 크기가 달라지기 때문에 속도에는 차이가 있을 수 있지만, 우주정거장을 기준으로 초속 7.7km의 속도로 지구를 돌고 있습니다.

 

혹시 구심력과 원심력의 개념이 잘 이해가 안되신다면, 다른 방법으로도 이해할 수 있습니다. 

 

야구선수가 야구공을 던지면 야구공은 날아가다가 중력의 영향으로 땅에 떨어지게 됩니다. 공을 더 세게 던지면 더 빨리 더 멀리 날아 간 후에 떨어질 텐데, 이때 지구가 둥글다는 것을 생각하면 공이 떨어지는 구간은 더 길어지게 될 것입니다. 이렇게 공의 점점 빠르게 던지다 보면 공이 지면으로부터 멀어지는 정도와 중력에 의해 땅에 떨어지는 정도가 일치하는 순간이 올 것입니다. 이 속도를 만족하면 공은 땅에 떨어지지 않고 계속 나아갈 수 있는 것이죠.

 

적절한 사진을 찾지 못해 직접 그린 그림

 

그림으로 보여드리는게 이해하기 쉬울 것 같았는데, 마음에 드는 적절한 이미지를 찾지 못해 직접 그림판을 이용해 그려보았습니다. 약간 조잡해 보이는 점 양해 부탁드립니다.

 

큰 파란 원이 지구, 작은 노란 원이 야구공이라 가정하겠습니다. 야구공을 앞을 향해 매우 빠른 속도로 던졌을 때 검은 선의 길이만큼 공이 날아갑니다. 이때 같은 시간 동안 빨간 선의 길이만큼 중력에 의해 공이 떨어집니다. 두 가지를 모두 고려한 공의 이동 동선이 녹색 곡선입니다. 위 그림처럼 야구공을 던지는 속도가 매우 빨라지게 되면 중력에 의해 떨어지더라도 처음의 고도를 유지할 만큼의 높이를 유지할 수 있는 것입니다. 사실 떨어지지 않는 것이 아니라 영원히 떨어지는 동시에 멀어지기를 반복한다고도 볼 수 있습니다.

 

인공위성 역시 위와 같은 속도를 만족하여 계속해서 떨어지지 않는 것이고, 위에서 말씀드렸듯이 우주정거장의 경우 초속 7.7km의 속도를 통해 고도를 유지하고 있는 것입니다.

 

그렇다면 이 보다 더 빠른 속도로 공을 던진다면 서서히 지구로부터 멀어지다가 지구를 영영 떠나버릴 수도 있겠죠? 그래서 이 기준이 되는 속도를 탈출속도라고 합니다. 중력에 의해 떨어지는 속도보다 멀어지는 속도가 더 커야하기 때문에 탈출속도는 중력의 크기가 클수록 더 커지게 됩니다. 블랙홀에서는 빛조차 빠져나오지 못한다고 하는 이유도 블랙홀의 질량이 너무나 크기 때문에 탈출 속도가 빛의 속도보다 더 커지게 되기 때문입니다.

 

 

728x90

 

2. 인공위성이 추락하는 이유

인공위성이 수명을 다해 지구로 추락한다는 기사를 한번 쯤은 본 적이 있을 것입니다. 그럴 때마다 혹여나 우리나라에 떨어지면 어떡하지 하고 걱정을 하기도 했던 것 같은데요, 그런데 위에서 설명한 것처럼 특정 속도만 만족하면 인공위성은 궤도를 계속 유지할 수 있는 것 아닐까요? 왜 추락하기도 하는 걸까요?

 

앞서 설명했던 땅에 떨어지지 않을 수 있는 특정 속도를 계속해서 유지할 수 있다면 인공위성은 떨어지지 않을 수 있습니다. 하지만 현실적으로 속도 유지에 어려운 부분이 있습니다.

 

첫 번째는 지구가 완전한 구형이 아니기 때문에 인공위성이 떠있는 위치에 따라 작용하는 중력의 크기가 달라지게 되고, 이에 따라 인공위성의 속도도 계속 변하게 됩니다.

 

두 번째는 완전한 진공 상태가 아니기 때문입니다. 인공위성의 궤도에 떠도는 기체 입자들이 마찰을 일으켜 인공위성의 속도가 조금씩 느려지기도 하고, 지구 바깥 궤도에 있는 만큼 태양풍 또는 자기 폭풍 등에도 직접적인 영향을 받기 때문에 속도가 느려지기도 합니다.

 

위와 같은 요소들로 인해 인공위성은 특정 속도를 계속 유지할 수 없게 되기 때문에 속도를 조절할 수 있는 장치들이 있습니다. 이를 위한 연료도 있고, 태양광 발전을 통해 에너지를 계속 보충하며 움직이게 되는데, 이 모든 기능을 다 하게 되면 결국 인공위성은 수명을 다하고 추락하게 되는 것입니다.

 

대부분의 추락하는 인공위성은 대기권에서 불타 없어지며, 크기가 커서 다 타지 못하더라도 안전사고가 생기지 않게 추락하기 전에 바다 위에 떨어질 수 있도록 궤도를 조정한다고 합니다. 그러니 혹여나 내가 사는 동네에 인공위성이 추락하는 일이 있지는 않을까 걱정하실 필요는 없습니다 🙂