뒤로 밀어 앞으로 나아가기

로켓은 질량을 뒤로 던져서 움직입니다. 이것이 핵심 원리입니다. 로켓이 내보내는 것(실제 로켓의 뜨거운 기체나 물병 로켓의 물줄기)은 배기라고 합니다. 로켓이 배기를 뒤로 밀면, 배기가 로켓을 앞으로 밀어냅니다.

이것이 뉴턴의 제3법칙입니다. 물체 A가 물체 B를 밀면, 물체 B는 같은 크기이고 방향이 반대인 힘으로 물체 A를 밀어냅니다. 이 두 힘은 한 쌍입니다. 두 힘은 서로 다른 물체에 작용하므로 서로 상쇄되지 않습니다. 배기에 가해진 밀기는 배기를 뒤로 가속하고, 로켓에 가해진 밀기는 로켓을 앞으로 가속합니다.

같은 생각을 운동량으로도 나타낼 수 있어. 운동량은 질량에 속도를 곱한 값이야(p = m v). 계 바깥에서 미는 것이 아무것도 없다면 전체 운동량은 변할 수 없어. 로켓과 배기는 처음에 정지해 있으므로 전체 운동량은 처음에 0이고, 계속 0으로 유지돼:

m_rocket × v_rocket + m_exhaust × v_exhaust = 0, 따라서 m_rocket × v_rocket = −m_exhaust × v_exhaust

마이너스 부호는 두 속도가 서로 반대 방향을 가리킨다는 뜻이야.

로켓이 전혀 없는 사고 실험을 해 보자. 아주 매끄러운 얼음 위에 서 있는 60 kg 스케이터가 3 kg 공을 앞으로 10 m/s로 던져. 공은 3 × 10 = 30 kg·m/s의 운동량을 얻으므로, 스케이터는 뒤쪽으로 같은 양의 운동량을 얻어야 해. v = 30 ÷ 60 = 0.5 m/s로 반대 방향으로 움직이는 거야. 로켓은 아주 작은 공을 아주 빠른 속도로 계속해서 던지는 스케이터와 같아.

로켓은 무엇을 밀어낼까? 공기도 아니고, 지면도 아니야. 로켓은 자신이 싣고 가는 배기를 밀어내. 그래서 밀어낼 다른 것이 아무것도 없는 우주 공간에서도 로켓이 작동하는 거야. 사실 우주에서는 로켓이 조금 더 잘 작동해. 월드 4에서 그 이유를 알아볼 거야.

한때는 이것이 일부 사람들에게 놀라운 일이었어. 1920년에 한 신문 사설은 로켓이 우주에서 작동할 수 없다고 의심했어. 로켓이 “밀어낼 것이 아무것도 없기” 때문이라는 주장이었지. 같은 신문은 Apollo 11이 달로 가던 1969년 7월에 정정 기사를 실었어.