엘리베이터에서 몸무게가 달라지는 이유는
엘리베이터가 올라가는 동안 저울 위에 서 있으면 체중계 숫자가 일시적으로 증가하고, 멈출 때는 오히려 줄어드는 현상이 나타난다. 그렇다면 실제로 몸무게가 변하는 것일까. 과학전문매체 라이브사이언스는 엘리베이터의 움직임에 따라 저울 수치가 달라지는 원인을 물리학적으로 설명한 기사를 최근 보도했다. 엘리베이터는 우리의 중력 감각을 일시적으로 왜곡한다. 엘리베이터가 위로 출발하는 순간 발바닥에 가해지는 압력이 평소보다 강하게 느껴지고, 속도를 줄일 때는 압력이 감소하면서 몸이 가벼워진 느낌을 받는다. 간단히 말해, 가장 무겁게 느껴지는 순간은 엘리베이터가 위로 가속을 시작할 때와 하강을 마칠 때다. 그러나 이는 '무게'를 어떻게 정의하느냐에 따라 달라진다. 미국 워싱턴대학교 물리학과 미겔 모랄레스 교수는 “물리학에서 '무게'라는 단어는 여러 의미를 가진다”고 설명했다. 물리학적으로 무게는 ▲질량 ▲중력이 작용하는 힘 ▲저울이 위로 밀어 올리는 힘(수직항력) 등 세 가지로 구분할 수 있다. 그는 “가만히 서 있을 때는 이 세 가지가 동일하게 보이지만, 엘리베이터가 가속하거나 감속하기 시작하면 서로 다른 값이 나타난다”며 “이는 순전히 물리 법칙 때문”이라고 말했다. 엘리베이터가 어떻게 움직이든 사람의 실제 질량은 변하지 않는다. 건물의 맨 아래층과 꼭대기층 사이에서 지구 중력 역시 거의 동일하다. 변하는 것은 저울이 측정하는 '위로 밀어 올리는 힘', 즉 수직항력이다. “중력을 느끼는 것이 아니다” 제이슨 반스 미국 아이다호대학교 물리학 교수는 “우리는 중력을 느낄 수 없다. 애초에 느낀 적도 없다”고 말했다. 그는 국제우주정거장(ISS)에 있는 우주비행사들을 예로 들었다. “지구 상공 약 400㎞에 위치한 우주정거장에서도 지구 중력은 지표면의 약 90% 수준을 유지한다. 하지만 우주비행사들은 그것을 느끼지 못한다”고 설명했다. 이는 중력이 사라졌기 때문이 아니라, 우주비행사와 우주정거장이 지구를 향해 끊임없이 자유낙하하고 있기 때문이다. 우주정거장은 시속 2만7300㎞ 이상 속도로 수평 이동하며 지구 주위를 돈다. 지구를 향해 떨어지는 동시에 지구 표면이 아래로 휘어져 멀어지기 때문에, 지면에 충돌하지 않고 계속해서 빗겨가며 낙하한다. 우주비행사와 정거장이 같은 속도로 함께 떨어지기 때문에 바닥이 그들을 떠받칠 필요가 없다. 우리가 무게로 느끼는 것은 바로 바닥이 위로 밀어 올리는 힘, 즉 수직항력이다. 지구에서는 땅이 끊임없이 위로 밀어 올려 낙하를 막지만, 궤도에서는 그런 힘이 없어 무중력 상태처럼 느껴지는 것이다. 엘리베이터 올라가면 수직항력↑ 엘리베이터 역시 바닥이 승객을 밀어 올리는 힘을 순간적으로 변화시킨다. 반스 교수는 “엘리베이터가 위로 출발할 때 몸이 더 무겁게 느껴지는 이유는 승객을 가속하기 위해 바닥이 평소보다 더 강하게 밀어내기 때문”이라고 설명했다. 일반적인 건물 엘리베이터의 평균 가속도는 약 1m/s²로, 지구 중력의 약 10분의 1 수준이다. 예를 들어 평소 체중이 68㎏인 사람이 엘리베이터가 위로 가속하는 순간 저울 위에 서 있다면, 체중계에는 약 10% 증가한 75㎏ 정도로 표시될 수 있다. 모랄레스 교수는 “중력 자체는 전혀 변하지 않았다”며 “하지만 위로 가속하려면 중력보다 더 큰 힘이 필요하기 때문에 저울에 표시되는 값이 증가하는 것”이라고 설명했다. 엘리베이터가 일정한 속도에 도달하면 가속이 멈추고, 중력과 수직항력이 다시 균형을 이루면서 저울은 정상 수치를 가리킨다. 반대로 최상층에서 멈출 때는 엘리베이터가 위로 이동하던 속도를 줄이기 위해 아래쪽으로 가속하게 된다. 이때 바닥이 위로 미는 힘이 줄어들어 수직항력이 감소하고, 저울 눈금도 일시적으로 낮아진다. 모랄레스 교수는 “이 순간 몸이 약간 가벼워지는 느낌을 받는다”고 덧붙였다.
