인공위성이 지구표면에 떨어지지않는 이유

인공위성은 다양한 목적으로 설계되어 지구의 궤도를 돌고 있습니다. 수많은 인공위성이 지구주위를 돌고 있는 것은 누구나가 알고 있는데, 왜 지구 주위를 돌면서 떨어지지 않고 계속 돌 수 있는지에 대해선 잘 모르는 경우가 많습니다. 인공위성이 지구 궤도를 돌면서 떨어지지 않는 이유와, 인공위성이 처음의 속도를 계속 유지할 수 있는지에 대해서 알아보겠습니다.

 

인공위성 소유즈

 

 

 

떨어지지 않는 이유

 ● 중력과 원심력의 균형

지구의 중력은 인공위성을 끌어당기려 하고, 인공위성은 일정 속도로 이동하면서 중력의 영향을 상쇄합니다. 이때, 중력으로 인해 지구로 끌려 내려오는 힘과, 위성이 앞으로 나아가는 운동(관성)에 의해 생기는 원심력이 균형을 이룹니다. 결과적으로 위성은 지구 표면으로 떨어지지 않고 궤도를 유지하며 공전합니다.

 

 ● 궤도 속도

인공위성이 지구 주위를 도는 데 필요한 속도를 1차 우주속도라 합니다. 이는 약 초속 7.9km입니다. 이 속도보다 느리면 지구로 떨어지고, 빠르면 지구를 벗어나 우주로 날아갑니다.

 

 ● 자유 낙하

인공위성은 사실 중력에 의해 끊임없이 떨어지고 있습니다. 그러나 동시에 빠르게 이동하면서 지구 곡면을 따라가므로 실제로 지표에 닿지 않는 상태가 됩니다. 이를 궤도 운동이라 합니다.

 

 

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처음의 속도를 계속 유지할 수 있는 이유

인공위성이 처음의 속도를 계속 유지할 수 있는 이유는 우주 공간의 마찰이 거의 없는 환경과 관성의 법칙 때문입니다.

 

 ● 관성의 법칙 (뉴턴의 제1법칙)

 물체는 외부에서 힘이 가해지지 않는 한, 정지 상태이거나 일정한 속도로 직선 운동을 계속하려는 성질을 가집니다. 인공위성이 처음 발사될 때 필요한 속도(1차 우주속도)를 얻고 궤도에 진입하면, 이후에는 별도의 추진력이 없어도 일정한 속도로 움직일 수 있습니다. 이는 우주 공간에서 외부 힘(마찰력)이 거의 없기 때문입니다.

 

 ● 우주 공간의 마찰이 거의 없음

 지구 대기권 바깥, 즉 우주 공간에서는 공기나 기타 입자에 의한 마찰이 극히 미미합니다. 대기권 내에서는 마찰 때문에 물체가 감속하지만, 인공위성이 대기권을 벗어나 궤도에 진입하면 이런 마찰이 거의 없어 속도를 잃지 않습니다.

 

 ● 중력과 궤도 운동의 균형

인공위성이 지구를 공전하는 이유는 중력이 끊임없이 작용하면서도 속도가 일정하기 때문입니다. 중력은 인공위성을 지구로 끌어당기는 역할을 하지만, 인공위성의 운동 방향이 지구 곡면을 따라 있기 때문에 낙하하지 않고 계속 돌게 됩니다. 속도는 일정하지만 중력에 의해 방향이 계속 변하면서 원운동(또는 타원운동)을 하게 됩니다.

 

 ● 에너지가 일정하게 유지됨

인공위성의 운동 에너지는 중력 퍼텐셜(Gravitational Potential) 에너지와 결합하여 궤도에서 일정하게 유지됩니다. 속도가 변하지 않으므로 별도의 연료나 추진이 필요하지 않습니다.

 

 

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속도 감소 요인

인공위성의 속도는 대체로 일정하지만, 시간이 지나면서 아주 약간씩 느려질 수 있습니다.

 

 ● 주요 원인 : 대기 저항으로 낮은 궤도를 도는 위성(LEO)은 희박한 대기 분자와의 마찰로 인해 속도가 미세하게 감소합니다.

 

 ● 중력 불균형 : 지구 중력이 완벽히 균일하지 않아 궤도에 영향을 줄 수 있습니다. 이 경우, 위성의 궤도를 유지하기 위해 추가 연료를 사용해 궤도 수정(궤도 보정) 작업을 수행합니다.

 

 

 

결론적으로 인공위성이 처음의 속도를 유지하며 지구의 궤도를 계속 도는 이유는 외부 마찰이 거의 없는 환경과 관성의 법칙 덕분입니다. 이는 우주 공간의 특성과 뉴턴 역학의 기본 원리 덕분에 가능한 일입니다.