7월17일
자전과 공전
설교 시간에 지구의 자전과 공전의 속도에 대해서 잠깐 이야기했다. 지구물리학을 전공한 분이 대구샘터교회에 있는데, 기회가 되면 도대체 자전은 무슨 힘에 의해서 일어나는지 물어봐야겠다. 모든 별의 생성이 회전에 의한 것이라는 사실은 안다. 내 질문은 이것이다. 왜 지구의 자전 속도가 줄어들지 않는가? 모든 운동은 계속해서 어떤 힘이 가해지지 않으면 멈추게 되어 있다. 그렇다면 지금 지구가 자전하도록 어떤 힘이 주어진다는 뜻이다. 그 힘이 발견됐는지가 궁금하다. 그런 힘이 없다면 언젠가는 자전이 멈출 것이다.
자전이 멈춘다는 것은 밤낮의 순환이 없어진다는 뜻이다. 공전이 여전히 살아있으면 6개월은 밤이고, 6개월은 낮인 상태가 계속된다. 얼마 가지 않아 한쪽은 얼음으로 덮이고, 다른 한쪽은 사막이 되고 말 것이다. 이런 생태 조건에서는 생명체가 생존할 수 없다. 지금의 금성이나 화성처럼 변할 것이다. 우리 후손이 아무리 과학기술을 크게 발전시킨다 하더라도 다른 행성으로 이민을 떠나지 않는 한 지구에서 생명을 이어갈 수는 없을 것이다. 더 시간이 지나면 자전과 공전의 문제가 아니라 수명이 다한 태양이 붉은 거성으로 변해서 자기 자식들인 태양계의 모든 행성과 유성들을 집어삼킬 것이다.
자전과 공전은 지구 생명의 토대다. 이로 인해서 지구는 거의 유일하게 풍요로운 생명을 일구고 있다. 이 풍요로운 시간도 일시적이다. 우리가 존재하고 있는 이 토대가 얼마나 아슬아슬한지 모른다. 다행인가? 하나님은 우리 인류를 위해서 어떤 대안을 준비하셨을까?
"모든 운동은 계속해서 어떤 힘이 가해지지 않으면 멈추게 되어 있다."
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뉴톤 이전에는 모두들 그렇게 생각했었지만, 뉴톤 이후로는
"모든 운동은 계속해서 어떤 힘이 가해지지 않으면, 하던대로 하게 되어있다(관성의 법칙)." 입니다.
운동을 보는 패러다임이 쉬프트된 것입니다.
물론 지구에서는 특별히 어떤 힘을 가하지 않아도 공기와의 마찰이라는 힘 때문에 멈추긴합니다만
진공의 우주에서는 공기의 마찰력조차 없으므로 돌던 것은 그냥 계속 돕니다.
대기가 지구자전의 마찰력으로 작용하는게 아니라 지구가 대기를 옷입고 함께 계~속 돕니다.
그럼 최초에 어떻게, 왜 돌기 시작했느냐가 문제의 핵심인데,
우주의 시작,빅뱅의 에너지가 소멸되지 않고 형태를 바꿔가며 우주의 모든 운동을 유지하는 것입니다.
제가 댓글을 쓰려고 생각하고 타이핑하는데 필요한 운동의 에너지도 빅뱅에서 온 에너지가 형태가 변환된 것입니다.
그럼 우주의 모든 운동이 영원하느냐하면 그렇지는 않습니다.
우주는 팽창, 그것도 가속팽창 중이라서 결국은 열평형의 막바지에 열사망의 상태에 이른다고 합니다.(열역학 제2법칙)
우주의 종말은 물리학적으로 이미 결론이 나 있습니다.
제가 고교때만 해도 이런 저런 우주론이 있었지만 현재는 딱 하나만 남았습니다.
"가속팽창후 모든 것은 다 원자로 흩어져버리고 열사망"
천체물리학자 K**박사님의 방송을 위와 같이 들었습니다.
우디 님의 설명도 하나의 가설이지요?
또 다른 패러다임이 나올 가능성이
여전히 열려 있으니까
아무도 단정적으로는 말할 수 없을 겁니다. ㅎㅎㅎ
농담으로 억지를 부려보았어요.
내가 착각했네요.
운동에 대한 근본적인 착각이라기보다는
지구 안에서의 운동과
밖에서의 운동을 구분하지 못했군요.
나의사고방식은 뉴턴 이전에 머물러 있었던 거네요.
어쨌든지 지구 자전은 다른 충격이 없는 한 계속 될 테니
그걸로 걱정할 필요는 없으니 다행입니다.
한 가지 물어볼게요.
우주선은 비행하는데 에너지가 필요 없을까요?
그리고 마찰력이 없는 우주에서는
우주선이 방향을 어떤 식으로 바꾸나요?
내가 다시 젊은 시절로 돌아가서
물리학자의 길을 가고 싶어지는군요.
고맙습니다.
1. 우주선은 비행하는데 에너지가 필요 없을까?
- 등속직선운동을 하는데에는 에너지가 필요없습니다.
지구를 탈출하는데 필요한 추진체의 도움으로 지구의 중력권을 벗어난 이후에는
그 속도로 진공에서 영원히 날아갑니다.
단, 다른 천체의 중력에 붙잡히거나, 다른 천체와 충돌하지 않는다면요.
인공위성도 원심력과 중력이 평형을 이룬 궤도에서 연료없이 계속 돌고 있습니다.
무인우주선 보이저1,2호도 현재 추진연료없이 초속15km로 계속 가고 있습니다.
비행방향을 바꾸거나, 비행속도를 감속, 가속할 때에는 추진에너지가 필요합니다.
또한 비행선내 장치 유지와 통신에 필요한 전기에너지가 필요합니다.
그건 태양전지나, 원자력발전을 씁니다.
2. 마찰력이 없는 우주에서는 우주선이 방향을 어떤 식으로 바꾸나요?
"지구에서는 땅과 공기를 밀고 나가지만 진공에서는 대체 무엇을 밀고 나가는가?" 이런 생각이신가요?
뉴톤의 운동법칙에서 제1법칙이 관성의 법칙이고, 제3법칙이 작용/반작용의 법칙입니다.
예전에 TV보면 아폴로우주선이 우주에서 1단, 2단, 3단 떨어뜨리고 나아가잖아요.
그게 무게 줄이는 역할만 하는게 아니라 한단씩 떨구면서 그 반발력으로 추진력을 얻기도 합니다.
중고교 과학교과서에 흔히 나오는 장면으로
내가 상대를 밀면 나는 꿈쩍 않고 상대만 밀리는게 아니라
똑같은 크기의 힘이 정반대방향으로 작용해서 나도 밀립니다.
다만 똑같은 크기의 힘이다보니 무거운 사람보다 가벼운 사람이 더 많이 밀립니다.
양쪽에 두 힘이 작용하는게 아니라 하나의 힘이 양쪽에 작용하는겁니다.
진공에서도 우주선은 전기에너지 말고 추진에너지가 필요한 경우가 있는데
바로 방향전환시와 감속,가속시입니다
영화 '그래비티'의 한 장면이 가장 좋은 설명이 될 것입니다.
우주에서 유영하다 사고로 우주선과의 연결끈이 끊어져서
관성으로 영원히! 줄이 끊어지던 바로 그 속도로 우주로 영원히 날아가 미아가 될 뻔 했으나
얼른 소화기를 잡고 소화기를 왼쪽으로 분사하여 오른쪽으로 방향전환하고
오른쪽으로 분사하여 왼쪽으로 방향전환하고, 뒤로분사하여 앞으로 나아가고 ....
그렇게 질량을 가진 소화액이 발사되어 나가면서 소화기를,
소화기를 붙든 우주인을 소화액의 분사되는 반대방향으로 밀어냅니다.
우주선은 진공의 우주에서 작용/반작용의 법칙을 이용한 연료분사장치를 써서 방향전환합니다.
분사되는 연료가 우주선을 이리 저리 밀어주는 겁니다.
공기나 땅을 밀지 않아도 우주선이 연료를 분사시
우주선은 연료가스를 밀어내고 연료가스는 우주선을 밀어냅니다.
자동차 배기가스 수준은 아니고 엄청 많이 뿜어야겠죠.
다들 중,고교때 배우셨는데 너~무 오래되어서 기억이 안나는 분도 계시고,
저처럼 너~무 재미있어서 기억하는 분도 계실거에요.
지구가 조금 삐딱하게 기울어진 것도 정말
생각하면 생각할수록 기가 막힙니다.