인공위성에서 ‘진자시계’의 주기는?

창의력 쑥쑥 퀴즈

진자는 한자로는 振子로 떨리는 것, 영어로는 pendulum로 매달려 흔들리는 것을 말한다. 즉 중력이 영향을 주는 곳에서, 떨어지는 물체에 중력가속도에 의한 힘을 미치는 공간에서 자유롭게 흔들릴 수 있도록 한 점에 고정된 상태로 매달려 있는 물체이다. 진자가 한 지점을 출발하여 운동할 수 있는 모든 지점을 지나서 갔다가 오는 동안의 시간을 주기라 한다. 신기하게도 중력 때문에 흔들린다는 진자의 운동이 진자에 달린 추의 질량과는 상관없이 일정한 주기를 보여준다. 그러나 추가 없으면 진자 운동이란 없다. 사실, 중력의 크기가 아주 중요한 변수로 중력이 강할수록 진자의 주기는 빨라진다. 즉 추의 질량에 중력을 미쳐 운동을 하게하고 주기에 영향을 주는 것이다. 그리고 진자의 길이가 길수록 주기가 비례하여 길어져 중요한 변수가 된다. 진자의 주기의 제곱이 길이에는 비례하고 중력가속도에는 반비례한다. 지구 중력을 9.8m/sec2 라고 하면 길이가 약 24.8cm인 진자의 주기는 약 1초가 된다. 진자운동 주기의 일정한 특성을 이용하여 1656년에 네덜란드의 호이겐스(Christiaan Huygens, 1629~1695)는 시계를 만들었다. 그러나 진자를 이용한 시계는 중력의 크기가 변하면 시간간격이 달라져 산 아래와 산 위에서 시간이 다르게 측정될 수 있다. 심지어 움직이는 자동차 안에서도 자동차가 가속될 때 그 가속도에 의해 진자의 주기가 영향을 받기 때문에 진자시계를 믿을 수 없다. 그렇다면 중력이 거의 없는 인공위성에서는 진자시계의 주기가 어떻게 될까?

문미옥/이화여대 와이즈거점센터(wise.or.kr) 연구교수

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(지난주 정답) 시각 외에도 청감각기관인 전정기관으로도 아래와 위를 구분할 수 있다. 전정을 이루는 반고리관은 우리가 머리를 옆으로 흔드는 것, 앞뒤로 흔드는 것 그리고 회전하는 것 등 머리를 돌릴 때마다 신호를 뇌에 전달하여 방향을 알도록 해 준다. 전정 안에 있는 이석(otolith)은 돌가루와 비슷한 것으로 관성을 크게 받고 가속, 감속 신호를 처리하고 동시에 몸의 어떤 부분이 위에 있고 아래에 있는지를 중력에 대해 반응하여 신호를 처리한다. 우리의 몸 안에 중력을 감지하는 센서가 있는 것이다. 에셔의 계단은 지구에 사는 우리 몸의 중력센서 때문에 불가능한 것으로 인식된다. 그러나 중력이 없는(또는 아주 약한) 곳에서는 이야기가 달라진다. 에셔의 계단이 가능하다 불가능하다는 것은 중력을 받는 공간에서 위, 아래의 구분을 할 수 있는 경우에 할 수 있는 것이다. 미 나사(NASA)에서는 중력을 기준으로 하는 방향감각이 무중력에서 어떤 변화를 일으키는지를 알기 위해 에셔의 계단 개념을 적용한 실험을 쥐를 대상으로 실시하여 신경반응의 변화에 대한 연구도 하고 있다.

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