인공위성이 지구에 떨어지지 않는 이유다.
적도 근처에 혼자 서 있겠습니다. 그림상으로는 북극점으로 보이지만 적도라고 하죠. 사실 이 사람은 지구의 자전으로 시속 1600킬로미터로 회전 운동을 하고 있는 것입니다.
자동차로 시속 200킬로미터로 달려도 꽤 빠르지만 1600이라고 하는 엄청난 속도입니다. ‘하지만 우리는 가만히 서 있는 이 사람의 운동 에너지를 정의할 때 원심력이나 관성을 염두에 두지 않습니다.’ 지구 밖의 관점에서 보면 빠른 속도로 움직이고 있지만 지구라는 닫힌 계에서는 운동 에너지는 제로입니다.
버스안에있는파리는바깥에서보면엄청난속도와관성을갖고있지만버스라는닫힌층안에서는관성이무시되는것과같은원리입니다. 지구는 중력이 미치는 곳까지는 닫혀 있어요.
지구가 질량과 중력은 그대로이지만 한 점으로 압축됐다고 칩시다 그러면 사람은 발밑의 땅이 없어졌기 때문에 지구 중심에 떨어져야 하는데, 다행히 수직으로 추진력이 있는 발판 위에 서 있다고 합시다.
이 경우 사람은 아직 지구가 원래 크기일 때와 달리 느끼는 것이 없고, 굉장히 낮은 궤도이지만, 지구 주위를 공전하고 있는 것도 같습니다. 즉 인공위성이 지구를 도는 것과 다르지 않다는 것을 의미합니다.
땅에 있는 모든 사람과 자동차, 빌딩도 인공위성과 같은 영향력을 받으며 지구를 공전하고 있지만 우리는 이 모든 것에 원심력을 적용해서 그 위치를 계산하지는 않습니다. 즉 적도에 서있는 사람인지, 그 위에 떠있는 풍선인지, 또 매우 높게 정지하고 있는 인공위성은 원심력과는 관계없이 지구를 도는 것입니다.
열기구가 상공 10km까지 떠올랐다고 칩시다. 이 열기구가 떠오른 이유는 열기구 내 공기의 밀도가 대기 밀도보다 낮아 부력이 생기고, 이 부력이 중력보다 크기 때문에 부상했기 때문입니다. 그리고 이 열기구는 부력을 유지하는 한 마치 인공위성처럼 지구를 공전합니다.
그럼 이 열기구는 원심력의 영향을 받고 있는 것일까 요. 이 열기구가 지구상에 떠서 하루 한 바퀴씩 지구를 따라 도는 이유에 대해 굳이 원심력이나 각속도, 구심력이나.. 이런 것들을 대입하면 이해할 수 있을까요?
이 열기구가 자꾸 떠서 인공위성처럼 지구를 돌고 있다고 합시다 지상에서 10km 높이에서 원심력에 관계없이 열기구가 떠 있으면 3600km 높이에서도 같은 규칙을 적용해야 합니다. 고도가 높아지고 어느 지점에서 원심력이 생긴다고는 할 수 없기 때문입니다.
따라서 적도 상공의 정지궤도에 떠 있는 인공위성은 원심력과 구심력의 균형을 위해 떠 있다는 것은 정확한 말이 아닙니다. 지상의 사람이 원심력의 영향을 받지 않으면 인공위성도 원심력의 영향을 받지 않는 것입니다.
물론 엄밀하게는 대부분의 인공위성은 원심력을 가지고 있습니다. 왜냐하면 인공위성은 중력의 영향권을 완전히 벗어나버리면 지구를 따라 공전할 수 없기 때문에 중력의 영향권 안에 있어야 합니다. 중력 영향권 내에 있다는 것은 언젠가는 지구에 떨어진다는 것을 의미합니다. 지구로 떨어지지 않으려면 중력과 반대 방향으로 추진력을 주거나 운동 속도를 향상시켜 원심력을 만들어야 합니다.
낮은 궤도에 있는 인공위성은 그만큼 중력의 영향을 받기 때문에 계속 떠오르기 위해서는 추진력을 주거나 속도를 증가시켜 원심력을 만들어야 합니다. 반면 높은 고도 위성은 중력의 영향을 잘 받지 않기 때문에 약간의 추진력만으로 떠 있는 것입니다.
결론적으로 무게가 없는 풍선이 아무런 추진력도 없이 지구와 함께 공전하듯이 인공위성도 기본적으로 무게를 무시할 수 있는 위치까지 가서 얼마 안 되는 원심력만 이용해서 하늘로 떠다니게 됩니다. 그 원심력이 궤도를 유지하는 것이긴 하지만 기본적으로 원심력이 있으면 지구에 떨어지지 않는다는 것은 정확한 말이 아닙니다.