자이로스코프 - Gyroscopic force

고전 SF 영화에서 외계인들이 타고 온 우주선들은 대부분 접시처럼 생겼으며 마치 자전하듯이 제자리에서 뱅뱅 돌고 있었다. UFO를 목격했다는 사람들의 증언을 토대로 해서 좀 더 그럴 듯하게 보이려고 한 감독의 연출이었겠지만 여기에는 비교적 철저한 과학적 고증이 있다.

지난 번에 올린 글에 자이로스코프는 관성센서라고 소개했다. 하지만 자이로스코프는 단지 회전력을 센싱하는 것 외에 Gyroscopic force라고 하는 참으로 신기한 특징을 가지고 있다. 사실 이 force 때문에 회전력을 센싱하는 것이기 때문에 따로 놓고 말할 수는 없지만 다른 현상으로 보이기 때문에 따로 설명하는 것이 편하다.

자이로스코프의 축에 힘을 가하면 가해진 힘의 방향의 90도(벡터의 외적 개념을 설명해야 하는데 그냥 90도라고 하자)로 축이 움직인다. 만약 그 힘이 중력이라면 자이로스코프의 축은 지구 중심으로 넘어지지 않고 중력 방향의 90도 즉 지면과 평행인 가상의 평면을 따라 빙글빙글 돌게 된다. 

예를 들어 1 미터 길이의 쇠막대기 끝에 약 20kg의 덤벨이 달려있다고 하자. 이것을 쇠막대기의 다른 끝을 잡고 덤벨을 들어올리려고 하면 성인 남자도 한 손으로는 힘들 것이다. 덤벨의 무게에 1 미터의 길이가 곱해진 토크가 발생하고 성인 남자의 힘으로는 이 토크를 감당하기 어렵기 때문이다. 쇠막대기의 길이가 2 미터가 된다면 아마도 두 손으로 들기도 어려울 것이다.

그런데 이 덤벨이 쇠막대기 끝에 베어링으로 연결되어 있고 이 덤벨을 드릴을 이용하여 고속으로 회전시키면 어떻게 될까? 이제 이 덤벨과 쇠막대기 형제는 팽이가 된다. 쇠막대기 끝을 잡고 있는 사람은 거의 덤벨과 쇠막대기의 무게를 느끼지 못하고 덤벨과 쇠막대기는 이것을 잡고 있는 사람의 손을 중심으로 지면과 평행하게 빙글빙글 돌게 된다. 덤벨의 회전속도가 클수록 더 빨리 돌게 될 것이다. 

어떻게 이런 일이? 이것이 바로 Gyroscopic force이다. 질량은 정지상태에서는 우주 어디에서 측정하더라도 일정하다. 하지만 무게는 모두 알다시피 그 질량체에 적용되는 중력에 따라 달라진다. 쇠막대기 끝에 달린 덤벨이 회전하면서 빙글빙글 돌 때에는 지구 중력 방향으로 영향을 받지 않기 때문에 무게는 0이다. 그래서 쇠막대기를 잡고 있는 사람이 중력 방향으로 힘을 느끼지 못하는 것이다. 아래에 링크된 유투브 영상의 1:00 분 지점부터 시청하면 무슨 얘기인지 쉽게 알 수 있다.

https://youtu.be/GeyDf4ooPdo

과학자들은 이러한 자연현상을 이용해서 UFO에 대한 상상을 발전시켰다. 만약 UFO가 이런 현상을 이용하고 있다면 행성의 중력에서 자유로워져서 기동을 훨씬 더 빠르게 할 수 있지 않을까?...등등

요즘 제작되는 SF 영화는 참으로 현란하다. SF 영화이니만큼 CG작업이 대부분이어서 더 그런 것 같다. UFO도 훨씬 더 멋있게 나온다. 어차피 보여주는 영화이니 외관에 한껏 멋을 부렸다. 누가 봐도 냄비 뚜껑 같았던 옛날 흑백 영화의 UFO와는 차원이 다르다. 하지만 그 허접했던 UFO가 더 사실적으로 느껴지는 건 나만의 착각일까?