우리가 우주공간으로 날아가지 않고 지구에서 살아갈 수 있는 이유는 중력이 우리를 땅 위에 잡아두기 때문이다. 중력이 우리를 잡아둔다고 했지만, 정확히 말하자면 중력의 정체는 두 물체가 서로를 잡아당기는 힘인 만유인력이다. 그리고 만유인력들 중에서도 지구가 지구 주변의 물체들을 잡아당기는 힘을 중력이라고 칭하는데, 지구를 비롯한 다른 행성들이나 달과 같은 위성 그리고 태양 등이 물체를 잡아당기는 힘도 마찬가지로 중력이라 칭한다.

우주에 떠 있는 우주선에는 중력이 없는가?

흔히 우주로 나간 우주선이나 그 안팎에서 우주인들이 둥둥 떠다니면서 임무를 수행하는 모습을 보면 우주에는 중력이 존재하지 않는다고 생각할 수도 있다. 그렇지만 이것은 사실이 아니다. 지구의 중력은 굉장히 굉범위하게 작용하고 있다. 그 예로 달도 지구의 중력에 의해 잡아당겨지고 있는 상대이다.

그러나, 모든 공간에서 중력이 똑같은 힘으로 작용하고 있는 것은 아니다. 중력은 지구에서 멀어지면 그 크기가 작아지는데, 지구 중심을 기준으로 중력이 작용하는 물체까지의 거리를 제곱한 것에 반비례한다. 우주왕복선이 만약 상공 320km의 고도에 위치한다면 지구 반지름인 약 6400km에서 5%만큼 늘어난 거리에 위치한 것이고 따라서 중력을 계산해보면 약 지상에서 작용하는 중력의 91%의 크기에 해당하는 힘만 받게 된다.

우주비행사의 몸무게는 얼마?

우주왕복선을 타고 우주공간으로 나아간 우주비행사는 지표면에서 보다는 작지만 분명히 중력의 영향을 받고 있다. 그렇다면 위와 같이 계산된 91%정도의 중력에 해당하는 몸무게를 가지게 되는 것일까? 결과부터 먼저 말하자면 그렇지 않다. 왜냐하면 우주비행사는 우주왕복선과 함께 지구를 향해서 자유낙하하고 있는 중이기 때문이다. 물론 체중계도 같이 자유낙하하고 있는 상태이고, 우주인이 몸무게를 재기 위해서 체중계를 사용하면 몸무게는 0이 된다. 이것은 우주인과 체중계가 동시에 자유낙하를 하고 있기 때문에 우주인이 체중계 위해 올라선 상태가 아니게 되어버려서 그런 것이다.

우주공간에서는 몸무게를 잴 수 없는가?

앞서 우주인이 체중계를 이용해서 몸무게를 잴 수 없다는 것을 알아 보았다. 그러나 우주에서 수행하는 임무나 연구를 위해서 몸무게를 재야 하는 경우가 생기기 때문에 이를 위해서 스프링을 이용한 특별한 체중계를 만들었다. 의자 형태로 된 이 체중계에 우주인이 앉으면, 스프링이 순간적으로 튕겨져 나가는데, 이 때 내재된 전자기기가 가속도를 측정한다. 측정된 가속도는 뉴턴의 제 2 법칙인 F=ma에 의해서 우주인의 질량이 구해지고 몸무게도 자연스럽게 구해진다.

왕복우주선의 자유낙하

앞서 우주인과 체중계와 함께 왕복우주선도 자유낙하를 하고 있음을 소개했었다. 건물 위에서 공을 아래로 떨어트릴 때와 달리 우주선은 하늘에 떠 있지 떨어지지 않는다. 그러나 기본적으로 우주선은 건물 위에서 떨어지는 공과는 달리 수평방향(앞)으로 나아가는 속도가 엄청나다. 총알과 같이 굉장히 빠른 속도로 앞으로 나아가는 물체는 공처럼 아래로 바로 떨어지는 것이 아니라 앞으로 나아가면서 떨어진다. 우주선은 총알보다 더 빠른 약 27800km의 속도를 가지고 있다. 이런 엄청난 속도로 320km상공에 있는 우주선은 떨어짐과 동시에 앞으로 계속해서 나아가기 때문에 지표면으로 떨어지지 않고 궤도를 따라 공전하게 된다.