지상에 무중력 공간을 만들자

 

 

 

2백m 높이의 63빌딩에서 엘리베이터를 타고 내려오는데 갑자기 줄이 끊어졌다고 생각해 보자. 이 때 엘리베이터 안에 있는 모든 물체는 엘리베이터와 함께 떨어진다. 발밑에 체중계가 있다면, 체중계에 힘을 작용하지 않게 되므로 체중계의 눈금은 0이다. 동전을 떨어뜨려도 바닥으로 떨어지지 않는다. 7초 정도의 짧은 순간이지만 무중력 상태가 만들어진다.  커다란 포탄이 있어서 사람이 탄 채로 발사되었다면 그 안에 있는 사람도 무중력 상태를 느끼게 된다. 미 항공우주국(NASA)에서는 우주인들에 대한 무중력 상태 체험 훈련을 할 때, 비행기로 무중력 상태를 만든다. 비행기를 발사된 포탄과 똑같이 날아가게 하면 그 안에 탄 사람은 무중력을 경험하게 된다.

 

목  적 : 어떻게 무중력 상태가 생기는지, 무중력 상태에서의 물체의 운동은 어떠한지 알아본다.

 

준비물 : 페트병 2개, 고무줄30cm, 스펀지공, 골프공, 스펀지 약간, 직경 10mm아크릴파이프10cm, 드릴, 접착제

 

방  법 :

①  무중력 골프공 제작법 : 그림과 같이 페트병을 자르고, 30cm고무줄 양끝에 스펀지공과 골프 공을 매달고 고무줄의 가운데 부분을 윗부분의 입구에 고무밴드로 고정한다. 아랫부분 바닥에 완충용으로 스펀지를 넣고, 윗부분을 거꾸로 끼워 넣는다.

②  공을 병 바깥으로 약간 당겨서 잡고 있다가 위로 던지거나, 자유낙하 시켜보자 공은 어떻게 되는가?

③  무중력 페트병 만들기 : 직경 10mm아크릴파이프의 옆에 직경 1mm정도의 구멍을 여러 개 뚫고, 페트병 아래에서 5cm정도 위쪽에 지름 1cm의 구멍을 양쪽으로 내고 아크릴 파이프를 꼭 끼운다. 끼운 부분에는 접착제를 발라 밀봉하여 물이 새지 않게 한다.

④  페트병에 물을 넣어 들고 있으면 물이 흘러나오는데, 이것을 가만히 놓으면 자유낙하 하는데 이때 물이 어떻게 될까?  또, 위로 던져 올리면 어떻게 될까?

⑤  물을 가득 채운 길이 1m정도의 투명원통 속에 탁구공을 넣고, 거꾸로 뒤집는 순간 원통을 낙하시키면 탁구공은 어떻게 될까? 위로 떠오를까?

 

결  과 :

①  무중력 골프공 : 공이 모두다 페트병 안으로 당겨 들어간다.

②  무중력 페트병 : 자유낙하 시키거나, 위로 던져 올릴 때 물이 나오지 않는다.

 

원  리

①  무중력 골프공 : 손을 떠난 후부터는 계에는 아래방향으로 중력가속도가 생겨서 위쪽으로 관성력이 생기고, 이것이 계에 작용하는 중력과 비겨 무중력 상태가 된다.  따라서 추의 중력과 고무줄의 복원력이 비기고 있다가, 중력이 없어지고 고무줄의 복원력만 남아 있으므로 공은 모두다 병속으로 당겨 들어가게 된다.

②  무중력 페트병 : 중력이 있을 때는 중력이 작용하는 아래쪽으로 물이 흐르지만, 위와 같은 이유로 계가 무중력 상태가 되므로 물은 나오지 않게 된다.