인공위성이 지구에 떨어지지 않는 이유다.
적도 근처에 혼자 서 있습니다 그림상으로는 북극점으로 보이지만 적도라고 합시다. 사실 이 사람은 지구의 자전으로 시속 1600킬로미터로 회전 운동을 하고 있는 것입니다.
차로 시속 200 킬로미터 달리는 것만으로도 꽤 빠른 속도이지만 1600이라면 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.
버스 안에 있는 파리는 밖에서 보면 엄청난 속도와 관성을 가지고 있지만 버스라는 닫힌 계에서는 관성이 무시되는 것과 비슷한 원리입니다. 지구는 중력이 미치는 곳까지는 닫힌 계입니다.
지구가 질량과 중력은 그대로지만 1점으로 압축됐다고 칩시다 그러면 사람이 발밑에 땅이 없어져서 지구 중심에 떨어져야 하는데, 다행히 수직으로 추진력이 있는 발판 위에 서 있다고 가정합시다.
이 경우 사람은 여전히 지구가 원래 크기 때와 달리 느끼지 못하고, 매우 낮은 궤도이지만 지구 주위를 공전하고 있는 것도 마찬가지입니다. 인공위성이 지구를 도는 거나 다름없다는 거예요.
땅에 있는 모든 사람, 자동차, 빌딩들도 인공위성과 같은 영향력을 받아 지구를 공전시키고 있지만 우리는 이 모든 것에 원심력을 적용해 그 위치를 계산하지 않습니다. 즉 적도에 서있는 사람이나 그 위에 떠있는 풍선이나 또 매우 높게 정지하고 있는 인공위성은 원심력에 관계없이 지구를 도는 것입니다.
열기구가 상공 10km까지 떠올랐다고 칩시다. 이 열기구가 떠오른 이유는 열기구 내의 공기밀도가 대기밀도보다 낮아 부력이 생기고, 이 부력이 중력보다 크게 떠올랐기 때문입니다. 그리고 이 열기구는 부력을 유지하는 한 마치 인공위성처럼 지구를 공전할 것입니다.
그럼 이 열기구는 원심력의 영향을 받고 있는 것일까 요. 이 열기구가 지구 위에 떠서 하루에 한 바퀴씩 지구를 따라다니는 이유에 대해서 굳이 원심력이나 각속도나 구심력이나.. 이런 것들을 대학 입시하면 이해가 될까요?
이 열기구가 점점 뜬다면서 인공위성과 함께 지구를 돌고 있다고 칩시다. 지상에서 10km 높이에서 원심력과는 상관없이 열기구가 떴다면 3600km 높이에서도 같은 규칙을 적용해야 합니다. 고도가 높아짐에 따라 어느 지점에서는 원심력이 나온다고는 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 엄밀히 말해 대부분의 인공위성은 원심력을 가지고 있습니다. 왜냐하면 인공위성이 중력의 영향권을 완전히 벗어나버리면 더 이상 지구를 따라 공전할 수 없기 때문에 중력의 영향권 안에 있어야 합니다. 중력 영향권 내에 있다는 것은 언젠가는 지구에 떨어진다는 것을 의미합니다. 지구로 떨어지지 않으려면 중력 반대 방향으로 추진력을 주거나 운동 속도를 증가시켜 원심력을 만들어야 합니다.
낮은 궤도에 진입하는 인공위성은 그만큼 중력의 영향을 더 받기 때문에 떠있기 위해서는 추진력을 주거나 속도를 높여 원심력을 만들어야 합니다. 반면 높은 고도의 위성은 중력의 영향을 별로 받지 않기 때문에 매우 적은 추진력만으로 떠 있을 수 있을 것입니다.
결론적으로 무게가 없는 풍선이 아무런 추진력도 없이 지구와 함께 공전하듯이 인공위성도 기본적으로 무게를 무시할 수 있는 위치까지 가서 아주 적은 원심력만을 이용해 하늘에 떠 있는 것입니다. 그 원심력이 궤도를 유지해 줍니다만, 기본적으로는 원심력 때문에 지구에 떨어지지 않는다는 것은 정확한 말이 아닙니다.