똑바로 서 있다는 것

김은주 교사의 과학 비타민 /

똑바로 서 있다는 것

만약 지구 밖에서 북극에 서있는 사람과 남극에 서있는 사람을 동시에 본다면 서로 반대 방향으로 서있을 것이다. 그런데도 우리는 지구 어디에 있건 늘 머리를 하늘 방향에 두고 발은 땅에 딛고 똑바로 서 있다고 느낀다. 똑바로 서있다는 것은 무엇일까.

사람의 귀 속에는 전정 기관이라는 것이 있다. 전정기관은 한마디로 몸이 기울어지는 것을 느끼는 기관이다. 전정 기관 내에는 감각모를 가진 감각 세포층이 있고, 감각 세포층 위에 이석(耳石, 전정 기관에 있는 작은 돌 모양의 결정으로 탄산칼슘과 단백질로 구성되어 있음)이 있어 몸이 기울어지면 중력에 의해 이석이 감각모를 누르게 됨으로써 기울기를 느끼게 된다. 즉, 전정기관 내의 이석의 기울기로 몸의 위치와 자세를 감각하는 것인데, 이때 중력의 방향과 일치하는 위치가 될 때 우리는 똑바로 서있다고 느끼게 된다. 중력 방향은 지구의 중심 방향이므로 우리가 지구상의 어디에 있건 중력 방향과 일치하는 위치에 있을 때 똑바로 서있다고 느끼게 된다.

　

문제 1. 무중력 상태에서 전정 기관은 어떻게 기능할까?

예시 답안. 전정 기관에서는 중력에 의한 이석의 쏠림 현상 때문에 감각모가 눌려져서 몸이 기울어졌다고 느낀다. 무중력 상태에서는 이러한 변화가 나타나지 않기 때문에 전정 기관은 제 기능을 할 수 없다.

　

문제 2. 우주비행사가 무중력 상태의 우주선 안에서 느낄 수 있는 현상과 이유를 제시문을 참고하여 설명해보시오.

■ 제시문1

무중력 상태에서는 지표상에 있는 우리들이 경험할 수 없는 여러 가지 현상들이 나타나게 된다. 첫째, 중력에 의해 만들어지는 마찰력이 없기 때문에 운동법칙을 완벽하게 적용할 수 있다. 무중력상태 하에서는 관성의 법칙, 가속도의 법칙, 작용과 반작용의 법칙이 실제가 된다. 공중에 정지해 있는 물체는 계속 공중에 떠 있게 되며, 운동하던 물체는 잘 멈추지 못한다. 우주인이 서랍을 열면 서랍에 가한 힘만큼 우주인도 영향을 받아 끌려가게 되고, 드라이버로 나사를 돌리면 사람도 반작용으로 돌아가게 된다. 우주선이 조금이라도 운동 상태가 달라지면 그 안의 사람은 즉시 그 현상을 느낄 수 있다. 둘째, 액체는 완전한 구의 모양이 된다. 물방울은 액체 분자가 서로 잡아당기는 표면장력 때문에 구를 이루게 되지만 중력 하에서는 표면장력 이외에 중력이 작용하기 때문에 낙하할 때는 위쪽이 약간 뾰족한 모양이 되고 바닥에서는 평평한 모양이 된다. 그렇지만 무중력 상태에서는 완전한 구의 모양을 할 수 있다. 셋째, 유체의 대류현상이 없다. 대류란 상대적으로 따뜻해진 공기나 물은 가벼워서 위로 올라가고 차가운 것은 무겁기 때문에 아래로 내려오는 현상이다. 여기서 무겁다는 것과 가볍다는 의미가 중력 때문에 생기는 것이므로 무중력 하에서는 무게의 의미가 없고 그러기에 공기의 대류현상도 일어나지 않는다. 대류현상이 없으므로 양초에 불을 붙일 수 없다. 붙인다 하더라도 심지 주변의 산소만 태우고 곧 꺼지게 된다. 또한 고정된 자세로 잠을 자고 있는 사람은 산소부족으로 사망할 수도 있다. 내뱉은 뜨거운 공기가 위로 상승하지 못고 주변에 머물러 있기 때문이다. 이 때문에 우주선 내부에는 환기시설이 반드시 있어야 한다.

　

■ 제시문2 우주비행사가 무중력 상태에서 느끼는 여러 증상들

학생답안

무중력 상태에서는 허리가 가늘어지고 키도 평소보다 5cm 가량 더 커진다. 반면 허리위쪽으로는 평소보다 더 붓는다. 이러한 현상은?중력이 있는 지구에서와 달리 피가 위로 많이 쏠리기 때문이다. 즉, 몸의 체액들이 상체로 더 많이 쏠리게 되는 방식으로 재분포가 되는 것이다. 지상에서는 중력 때문에 심장보다 아래쪽으로 피가 많이 가고 무중력상태에서는 그와 반대의 현상이 생긴다. 중력이 없어지면 아래쪽에는 상대적으로 피가 덜 가게 되고 이런 이유로 머리나 목은 혈관이 확장하며 부어 오르고 반대로 허리와 다리는 가늘어지게 된다고 생각할 수 있다. 무중력 상태에서는 방광에 차있는 소변의 압력도 적어질 것이므로 소변의 양도 줄어들며 이뇨작용이 원활치 못해 결석이 생길 가능성도 증가할 것이다.

　또한 지구에서 중력에 의해 척추 등 뼈마디를 잡아당겨 압착시키는 힘이 작용하는데 무중력 상태에서는 그 힘이 적어지기 때문에 뼈마디가 좀 벌어진다고 생각할 수 있다. 실제로 보통 사람은 자고 일어난 아침에 잰 신장이 전날 저녁 때보다 1~2㎝ 정도 크다고 한다. 잘 때는 오래 누워 있어 압착됐던 척추뼈 사이가 늘어나기 때문이다. 이와 같은 원리로 무중력 상태에서 오래 지내면 지구상에 있을 때보다 키가 더 커진다. 뼈는 칼슘이 자꾸 빠져나가 약해진다. 중력이 있을 때보다 뼈가 힘을 덜 받아 여기에 적응하려는 생체반응 때문일 것으로 생각되며 무중력 상태에서는 뼈나 인대와 힘줄마저도 차차 퇴화해버린다. 움직이는데 아무런 저항이 없고 물건을 들어올리는 데도 힘이 안들기 때문이다. 또 몸의 균형을 잡는 것도 힘들어진다. 귀 속에는 세반고리관과 전정기관이 사람이 방향과 위치를 느끼고 균형을 잡게 해주는데 이 기관들은 중력이 있어야 제대로 작동하도록 설계돼 있어 무중력 상태에서는 몸의 균형을 잘 잡지 못하게 된다.

김은주 금옥여고 생물교사