인공위성이 떨어지지 않는 이유 - 사실 떨어지고 있다? 어떻게 유지 되지? (케플러의 행성 운동 법칙, 운동 법칙, 자유 낙하, 중력, 전진 운동)

위성은 실제로 떨어지고 있지만, 떨어지면서 지구에서 벗어날 정도로 빠르게 전진하고 있어 사실상 궤도에 머물러 있습니다. 이러한 자유 낙하 상태를 우리는 흔히 궤도에 진입했다고 말합니다. 더 자세한 설명은 다음과 같습니다:

 

인공 위성은 왜 떨어지지 않나요?

사실 위성은 중력으로 인해 지구를 향해 계속 떨어지고 있습니다. 그러나 위성은 수평 속도도 상당히 빨라 '옆으로' 매우 빠르게 움직이고 있습니다. 즉, 소행성이 지구를 향해 떨어질 때 지구의 곡률은 거의 같은 속도로 그 아래로 '떨어지고', 결국 지구에 충돌하는 대신 지구를 한 바퀴 돌게 됩니다. 마치 공을 너무 세게 던져서 계속 지면을 빗나가는 것과 비슷한데, 이것이 바로 궤도입니다.

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/인공위성

인공위성 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/궤도

궤도 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

인공 위성이 실제로 떨어지나요?

네, 위성은 자유 낙하 상태에 있으며, 이는 위성이 지구를 향해 계속 떨어지고 있다는 것을 의미합니다. 하지만 동시에 위성의 수평 운동은 위성이 지구에 부딪히는 것을 방지합니다. 이 두 가지 운동(낙하와 전진)의 결합된 효과로 인해 궤도의 곡선 경로가 만들어집니다.

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/자유_낙하

자유 낙하 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

 

인공 위성은 떨어질 때마다 추진력이 상승하나요?

아니요, 위성은 정기적으로 위로 추진되지 않습니다. 위성이 안정된 궤도에 진입하면 그 궤도에 머무르기 위해 지속적인 추진력이 필요하지 않습니다. 위성은 계속 떨어지고 계속 앞으로 나아가기만 하면 됩니다. 위성을 처음 발사할 때는 궤도에 진입하기 위해 상당한 양의 에너지가 필요하지만, 일단 궤도에 진입한 후에는 지구 중력 덕분에 궤도를 유지할 수 있습니다.

하지만 대부분의 위성은 필요에 따라 궤도를 조정하기 위해(예를 들어 우주 파편을 피하거나, 사소한 섭동으로 인해 경로를 수정하거나, 위성의 작동 수명이 다할 때 궤도를 이탈하기 위해) 일정량의 연료를 운반한다는 점에 유의할 필요가 있습니다. 그러나 이러한 조정은 위성의 궤도를 결정하는 지속적인 '낙하와 실종'에 비해 상대적으로 빈번하지 않습니다.

이 복잡한 움직임의 춤은 아이작 뉴턴 경과 요하네스 케플러 경이 각각 운동 법칙과 행성 운동 법칙에 명시한 원리에 의해 지배됩니다.

 

물체가 떨어질 때 어떻게 움직이는지에 대한 우리의 일상적인 경험과 일치하지 않기 때문에 전체 현상이 직관적이지 않을 수 있지만, 행성과 위성의 규모에서는 정상적인 물리학의 일부입니다.

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/뉴턴_운동_법칙

뉴턴 운동 법칙 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/케플러의_행성운동법칙

케플러의 행성운동법칙 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

 

 

위성이 궤도에 머무는 원리 - 물리학

위성이 궤도에 머무는 원리에 대해 자세히 알아보려면 몇 가지 고급 물리학 개념을 살펴볼 필요가 있습니다.

 

* 구심력

구심력이라는 개념부터 시작하겠습니다. 구심력은 물체가 곡선 경로를 따라 계속 움직이게 하는 힘입니다. 구심력은 항상 경로의 중심을 향합니다. 지구 궤도를 도는 위성의 경우 지구와 위성 사이의 중력이 필요한 구심력을 제공합니다.

즉, 위성이 직선으로 이동하려고 할 때 지구의 중력이 위성을 지구 쪽으로 안쪽으로 끌어당겨 지구 주위를 곡선 경로로 이동하게 됩니다. 위성의 속도는 중력에 수직이므로 위성의 경로가 지구로 똑바로 떨어지는 것이 아니라 지구를 중심으로 곡선을 그리게 됩니다.

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/구심력

구심력 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

 

전진 운동 vs 중력 - 그 균형

위성의 전진 운동과 중력의 안쪽으로 당기는 힘 사이의 균형이 궤도를 만듭니다. 이 균형을 유지하려면 위성은 일정한 속도, 즉 궤도 속도로 이동해야 합니다. 위성이 너무 느리게 이동하면 중력의 균형을 맞추기에 충분한 전진 운동이 일어나지 않아 지구를 향해 떨어지게 됩니다. 너무 빠르면 중력의 힘을 이겨내고 우주로 날아가 버립니다.

지구 저궤도에 있는 위성의 경우 이 균형은 초속 7.8km(시속 약 17,500마일)의 속도에서 이루어집니다. 이 균형 때문에 위성이 정확한 궤도 속도에 도달하면 궤도에 머무르기 위해 지속적인 추진력이 필요하지 않습니다.

 

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03. 케플러는 행성의 타원 운동을 어떻게 알았을까?

 

 

케플러의 행성 운동 법칙

이 균형을 지배하고 궤도를 도는 천체의 운동을 설명하는 원리를 케플러의 행성 운동 법칙이라고 합니다:

* 궤도의 법칙(The Law of Orbits) : 모든 행성은 태양을 중심으로 타원 궤도를 따라 움직입니다.
* 면적의 법칙(The Law of Areas) : 행성과 태양을 잇는 선은 같은 시간에 같은 면적을 쓸어내립니다.
* 주기의 법칙(The Law of Periods) : 어떤 행성의 주기의 제곱은 그 행성의 궤도 준주축의 세제곱에 비례합니다.

 

원래 태양 주위의 행성에 대해 공식화된 이 법칙은 지구와 인공위성처럼 중력을 받는 두 물체에 모두 적용됩니다.

 

https://ko.wikipedia.org/wiki/케플러의_행성운동법칙

케플러의 행성운동법칙 - 위키백과, 우리 모두의 백과사전

 

마지막으로, 케플러의 법칙에 설명된 이상적인 궤도는 이론적으로는 더 이상 추진력이 없어도 영원히 지속될 수 있지만, 현실의 요인으로 인해 궤도가 서서히 교란될 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요합니다.

 

여기에는 지구 중력의 불균일성, 저궤도 위성이 경험하는 약간의 대기 항력, 태양과 달의 중력 효과, 태양 복사로 인한 압력 등이 포함됩니다. 위성은 시간이 지남에 따라 궤도를 약간 수정하여 이러한 섭동을 보정하기 위해 추진제를 탑재하는 경우가 많습니다.

 

인공위성이 떨어지지 않는 이유 - 사실 떨어지고 있다 어떻게 유지 되지 (케플러의 행성 운동 법칙)