국제우주정거장은 무중력 상태/전자레인지로 데운 밥이 차가운 이유

1) 국제우주정거장은 무중력 상태

국제우주정거장(ISS)은 축주장만 한 크기의 구조물로 중력의 영향을 받지 않는 상태에서 다양한 실험이 진행되고 있습니다. 현재 국제우주정거장은 고도 약 350km에서 시속 27,740km의 속도로 90분에 한 바퀴씩, 하루에 약 15.78회씩 지구를 돌고 있습니다. 실제 지구 중력이 절반이 되는 곳은 고도 1,500km이고, 국제우주정거장이 있는 고도에서는 지구 중력의 약 90%가 작용합니다. 

Q. 국제우주정거장 안에서 우주인들이 떠다니는 이유는 무엇일까요?

바로 국제우주정거장이 지구 주위를 빠르게 돌면서 생긴 원심력이 지구 중력과 같아서 힘이 작용하지 않기 때문이다.

지표면 위의 모든 물체는 지구가 끌어당기는 힘인 지구 중력을 받습니다. 지구 중력은 고도(높이)가 높아질수록 점점 작아집니다. 국제우주정거장은 매우 빠른 속도로 지구 주위를 돌고 있습니다. 빠른 속도로 회전하는 물체는 바깥쪽으로 끌어당겨지는 듯한 힘인 원심력을 받습니다. 원심력은 회전 속도가 빠를수록 커집니다. 고도 350km에 있는 국제우주정거장은 지구 중심 방향으로 지구 중력을 받고 있습니다. 그러나 지구 중력의 크기만큼 지구 중심 반대 방향으로 원심력이 작용하기 때문에 실제 받는 힘은 0이 되어 중력을 느끼지 못하는 상태가 됩니다. 이때가 바로 우리가 말하는 무중력 상태 또는 무중량 상태입니다. 무중력 상태는 중력이 없는 것이 아니라 중력을 느끼지 못하는 상태입니다. 만약 국제우주정거장의 회전 속도가 지금보다 느려지거나 고도가 낮아지면 지구 중력의 영향을 받아 지구로 추락하게 될 것입니다. 반대로 국제우주정거장의 회전 속도가 지금보다 빨라지거나 고도가 높아지면 지구 주위를 회전하지 않고 우주로 날아가게 될 것입니다.

2) 전자레인지로 데운 밥이 차가운 이유

저녁 식사를 마친 후 밥이 조금 남아서 스테인리스 그릇에 넣고 스테인리스 뚜껑을 닫은 후 냉장실에 넣어두었습니다. 다음 날 아침 따뜻한 밥을 먹기 위해 스테인리스 그릇에 담긴 밥을 뚜껑을 덮은 채 전자레인지에 2분 동안 돌렸습니다. 전자레인지는 빛과 같은 전자파로 음식물에 포함된 물을 빠르게 회전시켜 가열합니다. 2분후 이상하게도 전자레인지에서 꺼낸 밥은 여전히 차가웠습니다. 

*전자파 -  공간에서 전기장과 자기장이 주기적으로 변하면서 전달되는 파동으로 전자기파라고도 한다. 파장에 따라 마이크로파, 가시광선, 엑스선, 감마선 등 여러 종류로 나누어지고, 전자레인지는 마이크로파를 이용한다.

Q. 스테인리스 그릇에 담긴 밥은 전자레인지로 가열했는데 데워지지 않는 이유는 무엇일까요?

바로 스테인리스 그릇은 전자파를 반사시키기 때문이다.

전자레인지는 마그네트론이 만든 전자파로 음식을 데웁니다. 전자파는 유리, 도자기, 플라스틱 등에서는 통과하고, 금속에서는 반사되며, 물에서는 흡수되어 열을 발생시킵니다. 전자레인지 내부는 전자파를 반사하여 음식으로 전달되도록 하기 위해 금속으로 만듭니다. 음식을 스테인리스 그릇에 넣고 전자레인지에 데우면 전자파가 그릇에 반사되어 음식으로 전달되지 못하므로 음식이 데워지지 않습니다. 또한, 전자파가 금속에 부딪혀 튕겨 나올 때 불꽃이 일어날 수 있습니다. 특히 표면이 균일하지 않은 알루미늄 포일을 전자레인지에 넣고 작동시키면 화재나 폭발 사고의 위험이 있으므로 주의해야 합니다. 알루미늄 포일의 뾰족한 부분에서 전자파에 의해 강한 스파크(불꽃)가 일어날 수 있기 때문입니다. 얇은 일회용 종이봉투, 페트(PET)재질의 플라스틱 용기, 열에 약한 나무 용기, 스타이로폼 그릇, 컵라면 용기 등도 전자레인지에 사용하면 안 됩니다. 전자레인지로 음식을 데울 때는 사용할 수 있는 그릇인지 확인한 후 랩이나 덮개로 완전히 덮지 말고, 뚜껑을 살짝 열어 공기가 통할 수 있도록 해서 사용해야 합니다. 

3) 번개가 칠 때 더 안전한 곳

번쩍! 우르르 꽝꽝

시커먼 먹구름 사이로 번쩍하고 순식간에 나타났다가 사라지는 전기 불빛은 번개입니다. 번개는 하늘에서 치는 것이고 땅에 떨어지면 낙뢰(벼락)라고 합니다. 낙뢰는 초속 30,000km로 땅에 떨어지며 1억 볼트 이상의 전압을 가지고 있습니다. 또한 낙뢰가 지나는 곳의 온도는 약 27,000도 이기 때문에 사람이나 사물이 낙뢰를 맞으면 큰 피해를 보게 됩니다.

Q. 번개가 칠 때 차 안과 차 밖 중 더 안전한 곳은 어디일까요?

바로 차안, 차는 금속으로 되어 있어서 낙뢰를 맞으면 전기가 차 겉면을 타고 땅속으로 흐르기 때문이다.

번개는 수만 볼트의 큰 전압 차이 때문에 일어나는 구름 사이의 방전 현상입니다. 소나기구름의 윗부분은 (+)전기를, 아랫부분은 (-)전기를 가진 물방울이 머무릅니다. 구름 아랫부분에 (-)전기가 많아지면 대기가 불안정해져 (+)전기가 많은 곳으로 이동하려고 합니다. 구름의 (-)전기가 (+)전기가 많은 곳으로 이동할 때 생기는 빛에너지가 번개이고, 이중 땅으로 떨어지는 것을 낙뢰라고 합니다. 자동차 겉면은 금속으로 되어 있어 낙뢰를 맞으면 (-)전기가 자동차 겉면으로 퍼진 후 타이어를 통해 땅속으로 흐릅니다. 자동차 타이어는 고무로 만들어 전기가 흐르지 않지만 배기통 끝에 땅에 닿을 정도로 연결된(접지) 금속을 통해 전기가 땅속으로 흐를 수 있습니다. 땅에 닿는 금속이 없더라고 땅과 자동차의 거리가 매우 가깝기 때문에 낙뢰의 전기가 땅속으로 흐를 수 있습니다. 따라서 자동차 안은 (-)전기로만 둘러싸여 전압 차이가 없기 때문에 자동차 바깥에 있는 것보다 오히려 안전합니다. 만약 자동차 운전 중에 낙뢰를 맞게 되면 마지막 천둥 번개가 친 후 30분 정도 지난 다음에 비상등을 켜고 갓길에 차를 세워둔 후 기다리는 것이 좋습니다. 이때 자동차 내부의 금속을 만지면 안 됩니다. 자동차 겉면에 퍼진 (-)전기가 금속을 통해 몸으로 흐르면 감전될 위험이 있기 때문입니다. 자동차가 낙뢰를 맞으면 차량의 각종 전자 장치가 오작동을 일으키거나 망가질 확률이 높아지고, 시동이나 제동장치에 문제가 생길 수 있으므로 정비소에서 전체적인 점검을 받아야 합니다. 항공기는 자동차보다 낙뢰에 더 많이 노출됩니다. 이를 대비해서 항공기 표면에는 몇 가지 안전장치가 있습니다. 항고기 표면은 전기가 잘 통하는 소재의 금속으로 덮여 있고, 정전기 방출기가 설치되어 있습니다. 항공기에 낙뢰가 떨어지면 (-)전기가 항공기 표면을 따라 흐르다가 공중으로 흩어집니다. 따라서 항공기에 낙뢰가 떨어져도 항공기뿐만 아니라 안에 있는 승객도 아무런 피해가 없습니다.