지구의 공전운동에서 구심력과 원심력은 작용과 반작용으로서 크기가 항상 같고 방향이 반대여야 한다. 그런데 지구의 공전에서 구심력의 공식과 원심력의 공식이 따로 존재한다는 것은 두 개의 힘의 크기가 같지 않게 되는 모순이 생긴다. 그렇다면 구심력의 공식과 원심력의 공식 중에서 하나를 버려야 하는데 어느 것을 버려야 할까?
지구공전
지구 공전이란 지구가 태양 주위를 타원 궤도를 따라 도는 운동을 말하는데 커다란 팽이가 빙글빙글 돌듯이 지구도 끊임없이 태양 주위를 돌고 있는 것이죠. 왜 지구는 공전할까요? 태양의 중력때문입니다. 태양은 엄청난 질량을 가지고 있어서 주변의 모든 천체를 끌어당기는 강력한 중력을 가지고 있습니다. 지구도 예외는 아니어서 태양의 중력에 이끌려 끊임없이 공전하고 있는 것입니다. 관성으로 한 번 운동을 시작한 물체는 외부에서 힘이 작용하지 않는 한 계속해서 같은 속도로 같은 방향으로 운동하려는 성질을 관성이라고 합니다. 지구는 태양계가 형성될 때부터 태양 주위를 돌기 시작했고, 이 관성에 의해 계속해서 공전하고 있는 것입니다.
지구원심력
지구 원심력은 지구가 자전하면서 발생하는 힘으로 회전목마를 탈 때 바깥쪽으로 밀려나는 힘과 같은 원리죠. 지구가 끊임없이 돌고 있기 때문에 지구 표면에 있는 모든 물체는 바깥쪽으로 밀려나려는 힘을 받게 됩니다. 지구 원심력이 미치는 영향을 살펴보면,지구가 완벽한 구형이 아니라 적도 부분이 약간 부풀어 오른 타원체 모양인 것은 바로 지구 자전으로 인한 원심력 때문입니다. 적도 부분에서 원심력이 가장 크기 때문에 지구의 질량이 적도 쪽으로 쏠리면서 적도 부분이 볼록해진 것이죠.
지구의 중력은 지구 어디에서나 같은 값을 가지는 것이 아니라 위치에 따라 약간씩 다릅니다. 적도 지방에서는 원심력이 가장 크기 때문에 실제로 느껴지는 중력은 극지방보다 약간 작습니다. 지구의 자전은 해수와 대기의 운동에 영향을 미쳐 해류와 바람의 형성에 중요한 역할을 합니다. 지구 자전에 의한 전향력은 북반구에서는 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 물체의 운동 방향을 바꾸게 만듭니다.
인공위성은 지구 주위를 공전하면서 지구의 중력과 원심력이 균형을 이루는 특정한 고도에서 궤도를 유지합니다. 지구구심력 지구 구심력이란 지구가 태양 주위를 공전할 때 태양 쪽으로 향하는 힘을 말합니다. 마치 돌을 끈에 매달아 돌릴 때 끈이 돌을 안쪽으로 잡아당기는 힘과 같다고 생각하면 쉽습니다.
지구 구심력
지구 구심력이란 지구가 태양 주위를 공전할 때 태양 쪽으로 향하는 힘을 말합니다. 마치 돌을 끈에 매달아 돌릴 때 끈이 돌을 안쪽으로 잡아당기는 힘과 같다고 생각하면 쉽습니다. 구심력이 생기는 이유는 첫째, 태양의 중력으로 태양은 엄청난 질량을 가지고 있어서 주변의 모든 천체를 강력하게 끌어당기는 중력을 가지고 있습니다. 지구도 예외는 아니어서 태양의 중력에 의해 태양 쪽으로 끌려가는 힘, 즉 구심력을 받고 있습니다. 둘째, 원운동으로 지구는 태양 주위를 원 궤도를 따라 돌고 있는데, 원운동을 하기 위해서는 중심을 향하는 힘이 필요한데 이게 바로 구심력입니다.
지구 구심력의 중요성
지구 공전 유지에 중요한데요. 구심력이 없다면 지구는 태양의 중력을 이겨내지 못하고 멀리 날아가 버리거나 태양에 충돌하고 말 것입니다. 구심력 덕분에 지구는 안정적인 궤도를 유지하며 태양 주위를 공전할 수 있습니다. 계절 변화의 변화로 지구 공전은 지구의 계절 변화에 큰 영향을 미칩니다. 지구가 태양으로부터 가까워지거나 멀어지면서 받는 태양 에너지의 양이 달라지고, 이것이 곧 계절의 변화를 가져오는 것입니다. 구심력과 원심력의 관계를 살펴보면, 지구는 구심력뿐만 아니라 원심력도 받습니다. 원심력은 지구가 자전하면서 발생하는 힘으로, 지구를 바깥쪽으로 밀어내려는 힘입니다. 하지만 지구 공전에 있어서는 태양의 중력에 의한 구심력이 원심력보다 훨씬 크기 때문에 지구는 태양 쪽으로 끌려가게 됩니다.
뉴턴역학
뉴턴 역학에서는 지구와 태양사이의 구심력이 지구중력이며 이러한 힘을 만유인력이라고 한다. 어떻게 보면 태양을 중심으로 회전하는 지구는 구심력과 원심력이 장력을 사이에 두고 상호 반대방향으로 작용하는 것처럼 보인다. 마치 우리가 돌멩이를 줄에 매달아 회전을 시키면 구심력과 원심력이 함께 작용하는 것처럼 말이다. 그런데 문제는 우리가 줄에 매달고 회전시키는 돌멩이와 지구가 태양에 매달려 회전하는 야태는 동일한 방식이 아니라는데 있다. 각각 회전하는 기준이 다르다.
만약 줄에 매달아 회전시키는 돌멩이를 무중력상태의 우주 공간에서 수행하면 그 힘은 어떻게 될까? 지구에서 돌멩이를 회전시킬 때는 지구중력의 영향도 동시에 받는다. 그래서 회전반경이 아래쪽일 때는 지구중력 질량인 mg를 더해줘야 하고, 위쪽에서는 -mg를 더해줘야 한다. 이러한 기준계를 관성기준계라고 한다. 이는 지구중력이라는 관성력이 가해지는 상태에서 또 다른 관성력인 구심력과 원심력이 작용하는 상태이기 때문이다. 반면에 우주공간의 무중력 상태에서는 지구중력 질량 mg를 더하거나 뺄 수 없다.
이러한 기준계를 비관성기준계라고 한다. 여기서 도 다른 기준계 하나를 생각해 볼 수 있는데 태양을 중심으로 지구가 공전하므로 태양관성기준계를 고려해 볼 수 있다. 지구의 공전운동을 지상에서 돌멩이를 줄에 메달아 회전시키듯이 단순하게 태양이라는 중심 줄에 매달려 회전하는 것으로 묘사 할 수 있지만, 이는 한 가지만 생각한 것이다.
좀 더 정확도를 높이려면 태양중력, 지구중력, 기타 태양계의 여러 행성들의 중력 값들도 고려해야 한다. 뉴턴역학이라고 하는 고전역학이 상대성이론으로 대치되면서 바뀌게 된 큰 차이는 기준계의 다양성이다. 고전적으로는 우주의 중심이 태양이었지만, 현대의 과학은 우주의 중심이 어디에도 없다는 결론을 내렸다.
이것이 소위 균질하면서도 등방적인 프리드먼의우주이다. 지구에서는 해가 뜨는 쪽이 항상 일정하므로 해가 떠오르는 쪽을 동쪽이라고 하고, 나침반의 지침이 항상 남북을 가리키므로 남쪽과 북쪽을 정할 수 있지만, 태양계를 벗어나 먼 우주로 나가면 해 뜨는 쪽도 없으며, 나침반이 가리키는 방향도 없어진다. 무중력 상태의 우주공간에서 동서남북이나 위아래 기준을 무엇으로 정하겠는가? 인류가 발견하고 발전시켜 나가고 있는 각종 물리법칙들은 절대적으로 존재하는 것이라기보다는 인간이 자연의 패턴들을 잘 관찰하여 인지한 사항들을 인간의 관점에서 표현한 것들이다.
그러므로 우리는 현재까지 인류가 발견해낸 범위 내에서 우주의 원리를 논할 수 밖에 없는데, 지구가 태양을 중심으로 회전하기 때문에 발생하는 구심력은 지구만의 만유인력이자 중력이자 곤성력이다. 반작용은 없다. 수식으로 표현하면 지구의 구심력=만유인력=지구중력이 된다. 이와 같이 지구 중력이 인력만 있고 척력이 없는 이유는 자기력이 쌍극이 아니고 홀극인 이유와 더불어 과학계가 밝혀야 할 과제이다.
다만 지금까지의 과학지식으로 볼 때, 지구 공전의 구심력이 오로지 태양을 중심으로 한 회전에 의한 것이라면, 지구공전의 원심력은 태양만의 영향을 받는 것이 아니라 태양계 여러 행성들의 회전운동에도 영향을 받는 것으로 추정된다.
댓글