조종사를 괴롭히는 힘, G Force
2017. 11. 14 by 임재한

*전투기로 시작해 물리로 마무리하는 이야기

전투기 조종사. 파이터 파일럿. 단어에서부터 벌써 '강인함'이라는 말이 연상되는, 멋짐이라는 것이 폭발하는 직업이 아닐 수 없다.

이 이미지의 근원은 우리가 접하는 조종사에 대한 소식들 때문인 것 같다. 뉴스부터 예능까지, TV를 통해 조종사가 처하는 환경이 극단적이라는 이야기는 자주 들으니까. 덕분에 우리는 전투기가 빠른 속도로 하늘을 누비기 시작하면 조종사는 정신을 잃을 정도의 어마어마한 힘을 견딘다는 이야기를 잘 알고 있다. 특히, "9G의 힘", "중력의 몇 배", "지포스(G-force)" 처럼 알파벳 G와 중력이라는 단어가 자주 등장하면서.

그런데... 조종사는 왜 그런 힘을 받는걸까? 사실 우리도 비행기를 타봤으니까 할 말은 있는데! 우리같은 일반인도 비행기를 타봤지만 그렇게 힘든 점은 별로 느껴지지가 않고, 편안하게 비행기를 자주 이용한다. 어쩌면 하늘을 나는 것 자체가 조종사를 괴롭히는 힘의 원인은 아닐 지도 모르겠다. 그렇다면 왜, 조종사들은 같은 하늘을 날면서 유독 힘들어하는 것일까? 그리고 그 힘을 왜 중력에 빗대서 말하는걸까? 중력 때문이라면 지구 탓이기라도 한 것일까?

궁금증이 생겼으니 글을 시작해볼 때가 온 것 같다!

오늘은 조종사들을 괴롭게 하는 힘,

G-Force에 대한 이야기를 해보자.

조종사는 어떤 힘을, 왜 받는걸까?
조종사는 어떤 힘을, 왜 받는걸까?

 

| 언제 힘들까? ‘급선회’

우리가 비행기를 탔던 그 순간을 떠올려보자. 비행기가 이륙 전 땅에서 천천히 움직일 때나, 시속 900km의 속도로 순항하고 있을 때나 우리는 전혀 차이를 느끼지 못한다. 물론, 순항 중일 때가 조금 더 시끄러울 수는 있겠지만, 어떤 상황에서든 우리는 밥만 잘 먹고, 화장실도 가고 잠도 잘 자는 것을 생각해보면 특별히 환경이 달라졌다고 느낄 만한 것은 없다. 이처럼, 비행기의 속도 자체는 별로 문제가 되지 않는다. 전투기도 비행기의 일종이니, 전투기 안에 있는 조종사 역시 전투기의 속도에는 영향을 받지 않는다.

반면, 여객기는 못하지만 전투기는 할 수 있는 것을 하나 생각해본다면 급한 기동을 꼽을 수 있다. 여객기는 방향도 고도도 대형 트럭 마냥 느릿느릿 바꾸지만, 전투기는 한순간에 눈에 안 보일 정도로 높은 하늘로 도망가버리기도 하고 스포츠카가 드리프트를 하듯이 조금 전에 오른쪽으로 날다가도 갑자기 왼쪽으로 날아가기도 하는 등 잽싸게 이리저리 쏘다닌다. 그리고 바로 이 급선회를 할 때, 조종사는 엄청난 힘을 받게 된다.

오호! 아무래도 엄청난 힘의 근원은 전투기의 급한 회전과 관련이 있어보인다. 일단 전투기가 방향을 바꾸는 사진을 보며 이야기를 이어나가보도록 하자.

전투기가 방향을 바꾸며 그리는 궤적은 둥근 모양이다.
전투기가 방향을 바꾸며 그리는 궤적은 둥근 모양이다.

에어쇼에 참가한 전투기가 회전하는 방향으로 몸을 기울이고, 그 방향으로 고개를 들면서 방향을 바꾸고있다. 사진을 보니 이 전투기가 그리는 궤적이 둥근 모양이라는 것이 바로 눈에 보이는데... 날개가 전투기를 기울인 쪽으로 들어올리고, 그 힘 덕분에 전투기는 원을 그리는 모양인 것이라... 오? 흡사 실 끝에 공을 매달고, 그 공을 빙글빙글 돌리는 모습이 연상된다! 공은 비행기이고, 실은 공이 계속 둥글게둥글게를 할 수 있게 꽉 잡아주는, 비행기의 날개 역할을 하고 있는 꼴!

이제 전투기가 급선회하는 모습을 실매단 공을 돌리며 생각해보자. 공을 빙글빙글 돌리면 공은 계속 밖으로 나가려고 하는 것처럼 느껴진다. 이 힘이 '원심력'이라는 이름으로 우리가 자주 접하는 힘인데, 우리는 바깥으로 탈출하려는 공을 잡아두고 있기 위해 이 원심력만큼 팔에 힘을 준다. 그리고 공을 잡고 있기 때문에, 공은 우리 손 주변을 빙글빙글 돌게된다. 이 말인 즉 원형으로 돌기 위해서는 회전의 중심쪽으로 잡아당겨주는 어떤 힘이 있어야 한다라는 뜻이다. 중력 때문에 지구 주위를 달이 도는 것을 떠올려보면 쉽게 다가올 것이다.

선회하는 전투기도 마찬가지다. 마침 전투기를 비롯한 모든 비행기들은 비행기 위쪽으로 힘을 만들어내는 '날개'를 갖고 있다. 바로 이 날개가 실매단 공의 실이요, 선회를 가능하게 해주는 힘인 날개에서 만들어진 양력이 공을 잡고 있는 우리 손이다. 전투기가 밖으로 밀려나지 않고 원형으로 비행하며 방향을 바꿀 때 필요한 날개의 강한 양력. 바로 이 힘이 전투기가 선회할 때 조종사와 비행기에 가해지는 힘이다.

이 힘을 관성 때문에 생기는 힘이라 해 '관성력'이라고 한다. 관성력이라는 말이 조금 어렵게 다가올 수도 있지만 그냥 이름이라고 생각하자! 관성력은 그냥 "비행기가 선회하면서 만들어내는 힘!" 정도로 기억하면서 뒤로가기 누르지 말고 계속 읽어내려가보자.

● 공돌이의 노트 #1
무엇인가 속도가 변하고 있다는 것은, 그만큼의 힘이 어디선가 가해지고 있다는 것을 의미한다. 즉, 전투기가 방향을 바꾸고 있다는 것은, 힘이 작용하고 있다는 것을 암시한다. 여기에 뉴턴이 자신의 이름을 붙여 법칙으로 만들어놨는데, 바로 뉴턴 제 2법칙, 가속도 법칙이다. 먼저 만드는 사람이 임자인 법.

 

그런데 그 힘이 그렇게 클까?
G-Force

전투기가 선회하는 것은 실을 매단 공을 빙글빙글 돌리는 것과 비슷하다는 이야기를 했다. 문제는 이 공이 전투기인지라 최소 시속 400km로 움직인다는 것. 자, 공을 시속 400km으로 돌려보면 어떻게 될까? 상상 속으로 실험을 하나씩 해보며 체감해보도록 하자.

동틀무렵에 서쪽으로 빠르게 날아가던 전투기 조종사가 불현듯 일출이 보고 싶어졌는지 갑자기 180도 방향을 바꿔 동쪽을 향하는 상황을 한 번 떠올려보자. 전투기가 180도 방향을 바꾸는 데 넉넉잡아 대략 8초 정도가 걸렸다고 생각하고, 비행기는 시속 400km 정도로 날고 있었다고 생각해보자. 전투기가 방향을 바꾸는 데 8초나 걸리다니! 라고 생각이 들지도 모르겠다. 하지만, 잘 생각해보면 지금 이 비행기는 8초만에 시속 400km에서 정반대방향으로 시속 400km로, 총 시속 800km의 속도를 바꾼 것! 즉, 초당 시속 100km씩 속도가 변한 꼴인데.. 이 정도 속도 변화(가속도)는 자동차 급제동의 2배에 달하는 크기다.

게다가 비행기가 앞뒤로만 속도를 바꾸는 게 아닌, 원운동을 하며 방향을 바꾸니 실제로는 그 크기가 더 큰데, 공대생 공식을 이용해 계산을 해보니 자동차 급브레이크의 3배에 해당하는 가속도가 필요하다 결과가 나온다. 시속 400km면 전투기 최고속도도 아닌데 벌써 이 정도 크기면, 뭔가 엄청난 힘이 존재할 것 같다는 느낌이 오지 않는가? 계속 진행해보자

전투기가 급기동할 때의 속도 변화(가속도)는 굉장히 크다.
전투기가 급기동할 때의 속도 변화(가속도)는 굉장히 크다.

잠깐, 그런데 '자동차 급제동의 3배 정도'로 힘을 표현하니 '오 큰 힘이네.' 정도 생각이 들 뿐 정확히 어느 정도의 크기인지 체감되지는 않는다. 그렇다면, 우선 힘을 자주 접하게 되는 조종사를 기준으로 생각해보자. 이 힘은 날개가 만들어내니 비행기의 위쪽으로 생기고, 의자에 앉아있는 조종사는 의자를 통해 이 힘을 느끼게 된다. 비행기가 위로 들리면, 의자는 조종사의 엉덩이를 통해 이 힘을 전달하게 되고, 올리는 힘이 세질수록 엉덩이가 눌리는 힘이 점점 더 세질 것이다.

그런데 우리는 땅에 있을 때도 엉덩이를 통해 우리의 무게를 느낄 수 있다. 바로 우리의 마더 어쓰가 만들어내는 자연의 중력을 느끼는 것. 만약 비행기를 탈 때 느끼는 힘을 지금 우리가 느끼는 이 힘을 기준으로 설명해주면 체감이 아주 잘 될 것이다. 이 글을 읽는 여러분이 지금 발바닥으로, 혹은 의자에 앉아 엉덩이로 느끼고 있는 힘을 자연의 중력 G(Gravity)라고 한다. 이 중력을 1이라고 할 때, 조종사가 두 배의 힘을 엉덩이로 받고 있다면 G의 두 배, 2G가 된다. 그렇다! 조종사가 엉덩이를 통해 받는 힘을 표현하기 위해, 우리가 평소에 느끼는 힘을 기준으로 설명하는 것이 바로 G 표현의 의미이다. 명심해야할 점은 중력은 기준일 뿐 조종사가 느끼는 힘의 원인은 아니라는 점!

어우. 엉덩이 엉덩이.

전투기가 조종사를 위로 번쩍 들어올리고 있다. 조종사는 이 힘을 앉아서 느낀다.
전투기가 조종사를 위로 번쩍 들어올리고 있다. 조종사는 이 힘을 앉아서 느낀다.

빠른 속도로 비행하는 것도 중요하지만, 기민하게 방향을 바꿀 수 있는 능력 역시 전투기의 생명이다. 적기가 스쳐지나갔을 때, 잽싸게 돌아 상대의 꼬리를 먼저 잡는 쪽이 생존하는 '전투'기니까. 전투기가 빠르게 방향을 바꾸는 것은 우리가 공을 더 빨리 돌리는 것과 같다. 그런데 공을 빠르게 돌리면 돌릴 수록 우리는 손에 더 많은 힘을 줘야한다. 이 말인 즉 전투기가 빠르면 빠를 수록 회전할 때 더 큰 힘이 걸린다는 이야기가 된다. 결국 전투기 조종사들은 전투에서 우위를 점하기 위해 더 강한 양력을 이용해 최대한 빠르게 선회하는 경쟁을 하게된다.

한편 전투기와 조종사가 견딜 수 있는 힘에도 한계가 있다. 이 최대의 힘은 우리가 땅에서 느끼는 중력의 9배인 9G 정도로 이 말은 70kg의 조종사가 630kg의 무게를 느끼게 된다는 뜻이다. 이게 얼마나 무거운 무게인지는 전투기 날개의 상황을 살펴보면 더 실감이 난다. 보통 전투기의 무게가 20톤 정도이므로 9G의 상황에서는 전투기 날개가 180톤의 무게를 짊어지게 된다. 흥미로운 점은 180톤이라는 무게가 250인승 여객기가 가장 무거울 때의 무게라는 점. 전투기의 작은 날개로 여객기를 들어올리는 상황이 바로 9G의 의미인 것이다.

2인승 전투기의 날개가 250인승 중형 여객기를 드는 것. 9G의 의미다.
2인승 전투기의 날개가 250인승 중형 여객기를 드는 것. 9G의 의미다.

이제 오늘의 주제였던 조종사에게 가해는 G-Force에 대한 이야기는 모두 끝났다. 그런데, 기왕에 여기까지 온 것 조금 더 알아보면 어떨까? 비행기가 만들어내는 '관성력'이라는 녀석과, 지구의 '중력'이 공존하면 어떤 일이 일어나게 되는 것인지, 관심이 있다면 조금 더 내려가면서 읽어봐도 좋을 것 같다. (지금부터 글이 난해해집니다.)

 

비행기가 중력을 흉내낼 때
무중력 상

지금까지 비행기가 만들어내는 힘인 '관성력'을 다뤄보았다. 한편 비행기가 고개를 들며 조종사를 들어올리는 상황을 살펴봤다. 조종사를 밑에서 위로 들어올리는 힘을 키우다보니, 조종사는 중력보다 큰 힘을 느껴왔고 이 때문에 1G보다 큰 상황이 연출되어왔던 것. 그런데 이제는 반대로 비행기가 고개를 내리며 조종사를 떼어내는 방향으로 도망가버리면 어떻게 되는 것일지 한 번 생각해보도록 하자.

이제 반대로 비행기가 아래로 내려갈 때는 어떻게 되는 것일까? 착륙 전 비행기가 땅으로 땅으로 내려갈 때, 가끔 몸이 붕 뜨는 듯한 오싹한 느낌이 들기도 한다. 이처럼 복잡할 것 없이 지금까지 일어났던 일들이 정반대로 일어나게 된다. 지금까지는 힘이 엉덩이를 더 세게 눌렀다면, 이제는 의자가 엉덩이를 덜 누르게 되는 것. 비행기가 기수를 천천히 내리고 있다면 우리는 1G보다 작은 힘을 느끼게 되고, 마치 달에 온 마냥 몸이 가벼워지는 것을 느낄 수 있게 된다.

재밌는 건 비행기가 기수를 내리는 속도를 점점 빠르게 하는 것을 상상해보는 것이다. 우리가 느끼는 힘은 1G에서 계속 줄어들고 몸은 가벼워지기 시작할 것이다. 0.8G... 0.5G.. 0.3G... 그러다 어느 순간 정확히 0G에 도달한다. 0G? 우리가 느끼는 힘이 0이라는 말인데... 그렇다! 0G는 우리가 느끼는 힘이 전혀 없는 상황 '무중력' 상태다.

우리도 떨어지고, 비행기도 똑같이 떨어질 때. 0G가 완성된다.
우리도 떨어지고, 비행기도 똑같이 떨어질 때. 0G가 완성된다.

지구상에 있는 모든 물체들은 중력 때문에 땅으로 떨어진다. 우리 역시 우리를 받쳐주는 무언가가 없다면 땅으로 떨어졌을 것임은 당연지사. 그런데 우리를 들어주고 있던 비행기가 마치 자유낙하하듯 땅으로 도망가기 시작한다면, 우리도 떨어지고 비행기도 함께 떨어지는 상황이 연출된다. 비행기가 우리가 떨어지는 만큼 정확히 도망갈 때, 바로 이 순간이 우리가 무중력이라고 느끼는 0G의 상황이다. 실제로 무중력 체험 비행기는 빠르게 상승하는 상황에서 하늘에 던져진 돌 처럼 포물선을 그리며 비행한다. 그 안에 타고 있던 사람들 역시 포물선을 그리며 날아가게 될 테니, 그 경로를 그대로 따라가면 안에 있는 사람들은 무중력을 체험하게 되는 원리!

이런 무중력은 비행기와 지구가 만들어내는, 관성력과 중력의 합작품이다. 비행기가 아래로 도망가니 마치 우리는 위로 힘을 받는 것처럼 느끼게 되고(관성력), 비행기가 도망가는 정도가 중력이 만들어내는 가속도(중력가속도)와 정확히 같아질 때, 우리는 두둥실 하늘에 뜨는 것이다.

● 공돌이의 노트#2
지구 주위를 도는 인공위성 역시 같은 상황이다. 인공위성은 중력 때문에 지구로 계속 떨어지고 있다. 하지만, 지구가 둥글다보니 땅이 인공위성이 떨어진 만큼 도망가버리게 되고, 인공위성은 계속 지구 주변을 돌게 되는 것이다. 인공위성을 바라보는 꽤 재밌는 시선 아닌가!

전투기가 뒤집어져서 땅을 향해 선회하고 있다면, 조종사는 어떻게 느낄까?
전투기가 뒤집어져서 땅을 향해 선회하고 있다면, 조종사는 어떻게 느낄까?

 

중력보다 더 강하게 내려갈 때
뒤집어도 쏟아지지 않는 물

2011년, 전일본항공(ANA)의 여객기가 조종계통 문제로 거의 뒤집어진 상태로 비행한 사고가 있었다. 하지만, 승객들은 비행기가 뒤집어진 적이 있다는 사실을 인지하지 못했고, 모두 비행기가 계속 하늘로 솟구치는 듯했다고만 말했다. 실제로 비행기 내부에 가해졌던 힘은 무려 2.5G로 승객들을 좌석에 짓누르는 힘이었다. 비행기가 뒤집어진다면 승객들과 짐이 모두 천장으로 '떨어졌을' 것 같지만, 오히려 땅에 달라붙었던 이 현상 역시 비행기가 만들어내는 힘의 장난이었다.

조금 전에 무중력을 만드는 방법에 대해 얘기했었다. 이번에는 한 발 더 나아가 비행기가 떨어지는 정도를 중력보다 더 크게, 그러니까 0G보다 더 작은 G를 상상해보자. 태초에 우리의 발은 땅에 붙어있었고 비행기가 서서히 떨어지기 시작하며 발이 자유롭게 뜨는 0G에 도달했었다. 이제 그보다 상황이 더 진행된다면 우리가 천장에 달라붙기 시작하는 상황이 올 것이다. 점점 G가 작아지다가 -1G에 도달했다면 어떻게 될까? -1G는 중력보다 정확히 중력만큼 더 빠르게 비행기가 떨어진다는 것이니까... 그렇다, 우린 이제 천장에 아주 자연스럽게 발을 디딜 수 있는 상황이 되는 것이다.

어려워보이지만 모기를 잡는 걸 떠올리면 쉽게 이해된다. 땅으로 향하고 있는 모기를 향해 분노의 스파이크를 내리쳤다면, 모기는 다리가 아닌 머리쪽에서 충격을 받고 아래로 튕겨져나가게 된다. 중력보다 비행기가 더 빠르게 땅을 향해 빨라질 때도 비슷하게, 우리는 마치 세상이 뒤집어진 것처럼 천장으로부터 힘을 받게 되고, 거꾸로 서도 어색함을 느끼지 않게 된다.

여객기가 선회할 때, 우리는 몸이 눌리는 것을 느낄 수 있다.
여객기가 선회할 때, 우리는 몸이 눌리는 것을 느낄 수 있다.

전투기의 조종사들이 느끼는 강력한 힘에 대한 궁금증에서 시작해, 비행기의 움직임 때문에 생기는 힘인 관성력, G force, 그리고 중력과 관성력의 장난까지. 관성력과 중력이라는 단어가 언뜻 어렵다는 인상을 줄 수는 있지만, 사실 우리가 늘상 느끼는 익숙한 힘들일 뿐이다. 특히, 차를 타고 코너를 돌 때 우리는 한쪽으로 쏠리는 느낌을 받을 수 있는데 이 힘이 관성력이다. 비행기의 경우 차처럼 좌우가 아닌 위아래로 느낀다는 것 정도가 차이랄까, 이 뿐이다!

전투기 뿐만 아니라 여객기에서도 조종사들이 경험하는 힘을 약하게나마 느껴볼 수 있다. 바로 이륙할 때와 기울어진 상태로 선회할 때다. 다음에 비행기에 오를 일이 생긴다면, 비행기가 이륙할 때나 선회할 때 우리 몸이 아래로 눌리는 듯한 느낌을 느껴보며 "음 이건 관성력이군." 한 번쯤 나직히 중얼거려보길 바라며, 오늘의 긴 글을 마무리한다.

● 공돌이의 노트#3 - 여담
수업을 듣다가 재밌는 이야기를 들었다. 사실 '무중력'이라는 단어는 잘못된 표현이라는 말이었다. 무슨 말인고 하니, 우리가 흔히 말하는 무중력 상황은 사실 '중력만이 작용하는 상황'이라는 것. 잘 생각해보면 무중력이란 주변에 방해하는 것 없이, 오로지 떨어지기만 하는 상황이다. 느껴지는 게 없어 무중력이라고 이름이 붙였을 뿐, 사실 물리적으로는 중력만이 존재하는 상황이라는 것이 참 아이러니하다.

*진짜 공돌이들을 위한 참조노트!
1. 관성력은 특정 관성좌표계 '내'에서 기준을 잡을 때 발생하는 운동을 설명하기 위해 마련된 개념입니다. 즉, 관성력은 실재하지 않는 가상의 힘입니다.
2. 글의 난이도를 고려하여 많이 단순화된 글입니다. '속도', '중력보다 더 빠르게' 등등 힘,속력, 속도, 가속도의 개념을 엄밀히 구분하지 않은 용어들이 다수 사용되었습니다.

 

/참고자료

avherald.com, g-force - Wikipedia

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