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떨어지는 엘리베이터 안에서 살아남을 수 있을까?
 Science Column
신나는 과학 칼럼
작성자 류성철
작성일 2007/01/17 (수)
ㆍ추천: 0  ㆍ조회: 5984      
떨어지는 엘리베이터 안에서 살아남을 수 있을까?
류성철

롤러코스터나 고속 엘리베이터를 타 본 사람이라면 누구나 속력이 빨라지는 동안과 속력이 느려지는 동안에 생기는 힘을 느껴본 적이 있을 것입니다. 이 힘은 고속 엘리베이터를 타고 체중계로 재어보면 쉽게 측정할 수 있으며 당신의 몸무게를 바꾸어 놓습니다. 엘리베이터를 타고 체중계 위에 당신이 올라서서 몸무게를 측정해 봅시다. 엘리베이터가 정지해 있거나 일정한 속도로 움직이고 있을 때 체중계는 몸무게의 평균을 나타냅니다. 그러나 만약 엘리베이터가 위쪽으로 속력이 증가하면 위쪽으로 당신을 빠르게 움직이기 위해서 보다 더 세게 엘리베이터가 당신을 위로 밀어야 하고 체중계의 눈금으로 나타나는 몸무게는 늘어나게 됩니다.
엘리베이터가 아래쪽으로 움직이고 속력이 줄어들고 있는 경우에도 몸무게는 늘어나게 됩니다. 이 경우 엘리베이트는 당신이 떨어지는 속력을 줄이기 위해 보다 더 세게 당신을 위쪽으로 밀어야 하기 때문입니다. 만약 속력이 갑자기 준다면 당신의 무릎이 죄어오는 것을 느낄 것입니다. 당신의 몸무게가 줄어들게 되는 경우는 아래쪽으로 속력이 증가할 때와 속력은 줄어들지만 위쪽으로 움직이고 있을 때입니다. 이와 같은 경우에 무게가 줄어드는 느낌을 당신의 무릎보다는 당신의 위에서 느끼게 될 것입니다.
이렇게 처음에 속력이 빨라졌다가 그 다음 일정한 속력 그리고 다시 속력이 줄어드는 1층에서 출발하여 높은 층으로 올라가는 동안 엘리베이터 속에서 당신의 몸무게는 처음에는 실제보다 더 많이 그리고 같아졌다가 다시 줄어들었다가 엘리베이터가 정지하면 원상태로 되돌아 올 것입니다. 당신이 얼마나 무겁게 또는 가볍게 느끼는지는 그 엘리베이터가 가속하고 감속하는 정도에 전적으로 달려 있습니다. 예를 들어 가속하고 감속하는 정도가 중력가속도의 반이 되는 초고속 엘리베이터의 경우(실제로는 없는) 가속과 감속 중의 체중계 수치는 당신의 몸무게보다 50% 정도 더 많거나 더 적게 나가게 됩니다.
이러한 힘에 의한 당신의 느낌은 중력의 그것과 거의 구별되지 않기 때문에 중력이 50% 더 세게 또는 약하게 작용하는 것과 같습니다. 아인슈타인은 그의 등가원리에서 중력과 가속에 의한 힘이 구별되지 않는다는 것을 일반 상대성 이론의 핵심 원리로 밝히고 있습니다.
이 원리로부터 얻은 결론중 하나는 자유롭게 떨어지고 있는 엘리베이터 내부는 중력이 작용하지 않는 환경과 같다는 것입니다. 사실 나사(NASA)에서는 짧은 시간동안의 무중력을 만들기 위해 자유낙하하는 엘리베이터를 사용합니다. 당신도 자유낙하하는 엘리베이터를 사용하지 않고 무중력 효과를 관찰할 수 있는 간단한 방법이 있습니다. 물로 채워진 종이컵 아래쪽 옆에 구멍을 만듭니다. 그리고 물이 밖으로 흐르는 것을 막기 위해 손가락으로 구멍을 막습니다. 자 이제 컵을 떨어뜨리고 떨어지는 짧은 시간 동안에 주의깊게 그것을 관찰합니다. 컵이 떨어지는 짧은 시간 동안에 물은 무게가 나가지 않기 때문에-무중력 상태이기 때문에- 컵이 떨어지는 동안 물이 구멍 밖으로 흘러나가지 않는 것을 발견할 것입니다.
엘리베이터에서 일어나는 또 다른 문제를 하나 생각해 봅시다. 떨어지는 엘리베이터에서 당신이 살아남기 위해 얼마나 빨리 뛰어 올라야 할까요? 케이블이 지금 막 끊어진 엘리베이터에 당신이 타고 있다고 상상해보세요. 엘리베이터가 바닥에 충돌하기 전 바로 그 순간에 바닥위로 뛰어오름으로써 당신의 목숨을 구하는 것이 가능할까요? 물론 떨어지는 동안 중력이 없는 것와 같은 상태가 당신이 바닥위로 뛰어오르는 것을 보다 어렵게 만들 것입니다. 바닥과 당신은 지금 아무런 힘이 작용하지 않고 있으니까요. 그러나 지금은 그것에 관해 걱정하지 않도록 합시다. 충돌의 그 순간에 엘리베이터는 초속 29미터로 아래로 움직이고 있다고 가정합시다. - 자유낙하 3초후에 도달하는 속력이 초속 약 29미터 입니다. 만약 당신이 영화 스타트랙에서처럼 공간이동을 하는 것이 아니라면 당신은 땅위로 약 1미터보다 더 높게 뛰어오를 수는 없을 것입니다. 그것은 약 초속 4미터의 속력으로 위로 이륙하는 것에 해당합니다. 만약 당신이 이런 속력으로 엘리베이터와 충돌하기 바로 전에 출발할 수 있다고 해도 당신의 순 낙하속력은 초속 29미터에서 4를 뺀 초속 25미터일 것입니다. 그러므로 당신이 충돌전에 뛰어오른다고 해서 죽음 혹은 심각한 부상을 피할 수는 없습니다.
그러나 당신이 엘리베이터에서 초속 29미터로 위로 추진시킬 수 있는 장치를 가졌다고 상상해 봅시다. 만약 충돌전에 바로 그 장치가 작동한다면 땅에 대한 당신의 상대 속력은 0일 것입니다! 그런 장치는 실제 당신의 목숨을 구할 수 있을까요? 그것은 전적으로 이제까지 고려하지 않은 하나의 결정적인 요소 즉 가속시간에 의해 결정됩니다. 만약 그 장치가 당신을 너무나 짧은 시간에(굉장히 큰 가속을 일으키는) 위로 올릴 수 있다면 당신 몸에 작용하는 효과는 엘리베이터가 지면에 충돌하는 효과와 별로 다르지 않을 것입니다. 한편 만약 당신이 제트기의 탈출좌석과 비슷한 장치를 가졌다면 그리고 그것이 당신에게 굉장히 큰 가속력이 작용하지 않는다면 당신은 살아날 수 있습니다.(실제로 전투기 조종사들은 그 가속력을 이기기 위해 많은 훈련을 받습니다.) 물론 그 장치는 엘리베이터의 낙하속력을 측정할 수 있는 감지기가 갖추어져 있어야 합니다. 그리고 충돌 바로 전에 정확히 그 속력으로 당신을 위로 탈출시켜야 합니다. 그 많은 복잡함을 고려해 볼 때 엘리베이터의 케이블이 끊어지지 않도록 엘리베이터를 설계하는 것이 더 쉬울 것입니다! 좀 더 현실적인 아이디어 즉 충돌하기 바로 전에 컴퓨터에 의해 작동되는 차의 탈출좌석은 어떨까요? 상상하건대 이것은 에어백이 없는 경우 충돌로부터 당신을 간신히 구해낼 수 있을 것입니다. 그리고 바닥에 대하여 상대적으로 정지 상태가 되어야 하기 때문에 반대 방향으로 차와 같은 속력으로 탈출해야 됩니다. 불행히도 만약 그런 탈출장치가 (에어백의 처럼) 충돌자체의 힘에 의해 작동된다면 차의 지붕을 열고 운전자를 위로 들어올리는데 필요한 시간이 너무나 적습니다. 사실 시간이 너무나 촉박해서 운전자는 위로 가속되는 동안 견디기 어려운 엄청난 가속력를 경험해야합니다. 훨씬 더 좋은 선택은 1초나 2초 앞서서 임박한 충돌을 감지하는 감지기를 사용하는 것입니다. 그러면 그것은 충분히 견딜 수 있는 더 작은 가속력을 가질 것입니다. 그렇지만 만약 우리가 임박한 충돌을 감지하기에 충분히 영리한 차를 만들 수 있다면 우리는 먼저 충돌을 피하도록 설계해야 할 것입니다.
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2011-02-02 17:07
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