스카이다이빙 하면 계속 빨라지지 않는 이유 — 종단속도의 과학

높은 곳에서 떨어지면 중력 때문에 계속 가속이 붙어서 땅에 닿을 때쯤에는 엄청난 속도가 될 것 같다. 그런데 스카이다이버들은 일정 시간이 지나면 더 이상 빨라지지 않고 거의 일정한 속도로 떨어진다고 말한다. 중력은 계속 작용하는데 왜 속도는 더 이상 늘지 않는 걸까.

1. 진공이라면 계속 빨라지겠지만 공기는 다르다

진공 상태에서 물체가 떨어진다면 중력가속도(약 9.8m/s²)만 작용해서 속도가 시간에 비례해 계속 늘어난다. 하지만 지구 대기 안에서는 낙하하는 물체에 공기저항이라는 반대 방향 힘이 함께 작용한다. 공기저항의 크기는 속도의 제곱에 비례해서 커진다. 속도가 빨라질수록 이 저항력도 급격히 커진다는 뜻이다.

2. 중력과 공기저항이 같아지는 순간 — 종단속도

낙하 초반에는 속도가 느려서 공기저항이 작고, 중력이 더 크게 작용해 계속 가속된다. 그런데 속도가 점점 빨라지면서 공기저항도 함께 커지고, 결국 어느 지점에서 공기저항의 크기가 중력과 정확히 같아진다. 이때부터는 두 힘이 상쇄되어 순수 가속도가 0이 되고, 물체는 더 이상 빨라지지 않고 일정한 속도로 떨어진다. 이 속도를 종단속도(terminal velocity)라고 부른다.

사람이 팔다리를 벌린 자세로 자유낙하할 때 종단속도는 대략 시속 195~200km 수준에 도달한다. 몸을 세로로 세워 저항을 최소화하면 종단속도는 시속 300km를 넘기도 한다.

자세공기저항대략적인 종단속도

팔다리를 벌린 자세(벨리 포지션)	큼	시속 약 195~200km
머리를 아래로 향한 자세	작음	시속 300km 이상

3. 낙하산을 펴면 왜 갑자기 속도가 줄어드는가

낙하산을 펼치면 공기와 맞닿는 표면적이 순식간에 커진다. 표면적이 커지면 같은 속도에서도 공기저항이 훨씬 커지기 때문에, 중력보다 공기저항이 일시적으로 훨씬 커지면서 급격한 감속이 일어난다. 새로운 훨씬 낮은 종단속도(시속 20km 안팎)로 다시 수렴하는 것이다.

마무리하며

떨어지는 물체가 계속 빨라지지 않는 이유는 중력과 공기저항이라는 두 힘이 결국 균형을 이루기 때문이다. 스카이다이버가 자세를 바꿔가며 속도를 조절할 수 있는 것도 이 원리 덕분이다. 표면적을 늘리면 저항이 커지고 종단속도가 낮아지며, 줄이면 그 반대가 된다는 것만 기억하면 낙하산이 왜 그렇게 극적으로 속도를 줄여주는지도 자연스럽게 이해가 된다.

참고 자료: 한국항공우주연구원(kari.re.kr)