우주 정거장에서 지구와 같은 중력을 느낄 수 있게 하려면 어떻게 하면 될까?

  인류는 공 모양을 한 지구의 외부 표면에서 생활하며 중력에 의해 속박되어 있습니다. 지구는 인류의 요람이지만 인류는 이 요람에 영원히 머물지 않고 생활 터전을 우주로 확장시키고 있습니다. 그림과 같은 거대한 도넛 모양의 우주 정거장을 생각해 봅시다. 우주 정거장은 지구와 같은 중력을 느끼면서 생활할 수 있게 하기 위하여 자전을 해야 합니다. 자전을 하게 되면 원심력에 의해 우주 정거장 안쪽의 사람은 밖으로 향하려는 힘을 받지요. 이 힘이 중력과 크기을 같게 하면 지구와 같은 느낌으로 생활할 수 있지 않을까요?

  원심력은 관성에 의해서 생기는 가상적인 힘입니다만 중력이 작용하지 않는 우주 공간에서 자전하고 있는 물체 안에 있는 사람에게는 중력처럼 느껴지는 것입니다. 탈수기의 원리와 같습니다. 빨래감들이 사람들이라고 생각합시다. 그 힘은 4π²mrf²(원심력)로 계산할 수가 있습니다. 여기서 m은 사람의 질량이므로 4π²rf² 값이 중력가속도 9.8m/s²과 같게 운동시키면 됩니다. r은 우주 정거장의 반지름이고, f는 진동수입니다. 진동수는 초당 회전하는 수입니다. 그러니까 반지름이 작다면 빠르게 회전하여 진동수를 늘려야 하겠지요. 이 때 귀의 내부 기관에서 고속 회전을 감지하게 되므로 회전하는 물체를 타고 있을 때 느끼는 어지러움증을 겪게 됩니다.

   어지러움을 느끼지 않고 신체를 조절할 수 있는 한계는 대략 분당 1회전(1rpm)을 하는 경우이므로 반지름 1km나 되는 거대한 크기로 만들어야 합니다. 1rpm이므로 f≒0.0167회/s , 4π²rf² 에 대입하면 대략 11m/s²정도가 됩니다. 즉, 조금 늦게 회전하게 하면 중력 가속도와 같게 할 수가 있습니다. 한 바퀴 도는데 걸리는 시간(주기)은 진동수의 역수이므로 60초 정도합니다. 그러므로 회전 속력은 원주(2πr)를 주기로 나누면 되니까, 대략 100m/s가 됩니다. 어지럽겠다구요?

   사실 지구가 태양의 주위를 공전하는 속력은 약 100000km/h나 되고, 지구 표면의 자전 속력도 약 1800km/h나 되지만 인간은 신체적으로 이런 환경에 적응하면서 진화해 왔습니다.

   회전하는 우주 정거장의 가장 자리와 회전축 사이의 중간에서는 반 정도의 중력 가속도를 느낄 것이고, 회전 축 자체에서는 중력 가속도가 0인 무중력 상태에 있게 됩니다. 왜냐하면 자전하는 우주 정거장의 중력 가속도는 4π²rf²에 의해서 계산할 수가 있으므로 반지름에 비례한다고 해야하겠지요. 가장 자리로부터 회전축에 이르는 각 지점에서 가속도를 달리 갖게 되므로 중력 가속도가 1/2인 공에서는 발레를, 중력 가속도가 1/5 또는 더 낮은 곳에서는 다이빙이나 공중에서 날아다니는 3차원 축구 등 새로운 운동을 할 수도 있을 것입니다. 그리고 회전축 자체에는 러브 호텔을 지어 놓을 수도 있지 않겠어요?