물체가 천체와의 중력을 뛰어넘어 무한히 멀어지는 최소한의 속도를 탈출 속도라고 한다.
지구에서는 초속 11.19km, 달에서는 초속 2.37km, 목성에서는 초속 61.5km다.따라서 탈출속도를 제2우주속도라고 할 수 있다.
달의 표면 중력이 지구의 1/6이라고 해서 필요한 운동에너지 역시 1/6이 되는 것이 아니라 달의 지름(지구의 1/4)까지 고려하면 필요한 운동에너지는 지구에 비해 1/24가 되고 속도로 계산하면 1/5 정도가 되기 때문에 출발 위치에 따라 탈출 속도는 차이가 생긴다.
다만 이런 탈출 속도 이상이 아니면 지구를 탈출할 수 없는 것은 아니다. 애초에 탈출 속도의 정의가 ‘추진력 없이’ 무한히 멀어지는 데 필요한 최소 속도다. 연직방향 속도를 0 이상으로 계속 유지할 수 있다면 지구 대기권을 벗어나는 데 아무런 문제가 없다. 또 탈출 속도가 지표면을 기준으로 하기 때문에 표면에서 상당히 떨어진 공기 분자에 대해서는 적용되지 않는다. 즉 대류권처럼 10㎞ 이하의 공기에 대해서는 의미가 있을 수 있지만 수백㎞ 상공에 떠 있는 입자는 이미 위치에너지가 높기 때문에 훨씬 적은 속도로 지구를 탈출할 수 있다.
행성의 탈출 속도는 그 행성의 대기 구성요소와 밀접한 관계를 가진다. 수성, 달처럼 탈출 속도가 작은 천체의 경우 그 대기가 비교적 무거운 기체인 제논, 이산화탄소 등으로 구성되어 있는 반면 탈출 속도가 큰 목성형 행성의 경우 그 대기는 수소, 헬륨처럼 가벼운 기체로 구성되어 있다. 이는 가벼운 기체일수록 같은 온도, 즉 운동에너지가 같아도 질량이 작고 속도가 빨라지기 때문에 우주로 빠지기 쉽기 때문이다. 그리고 탈출 속도가 빛의 속도(약 30만 km/s) 이상이 될 경우 그 유명한 블랙홀이 된다.
탈출 속도와 유사한 개념으로 우주 속도가 있는데, 제1, 2, 3 우주 속도로 세 가지로 나뉜다.이들은 모두 일정한 값을 갖고 있지만 탈출 속도와 달리 지구를 기준으로 하고 있기 때문이다.
그래서 우주 속도는
제1우주속도는 지구 주위를 공전할 수 있는 최소의 속도 7.9km/s 제2우주속도는 지구의 중력을 벗어날 수 있는 최소의 속도 11.2km/s (지구탈출속도) 제3우주속도는 태양의 중력을 벗어날 수 있는 최소의 속도 16.7km/s (태양계탈출속도)
이렇게 나눌 수 있다.
로켓을 발사해 속도가 제1우주속도를 넘어서면 이 우주선은 지구를 도는 인공위성이 될 수 있다.제1우주속도보다 낮으면 지구로 다시 떨어지게 된다.
(다시 말해 지구를 기준으로 해서다.제1우주속도(7.9km/s)는 지구에서 출발하여 7.9km/s 이상이 되면 우주로 나갈 수 있고 중력이 약한 화성에서 출발하면 약 3.55km/s 이상이 되어야 하며 중력이 강한 목성에서 출발하면 42.12km/s 이상이 되어야 한다.)
하지만 제2우주속도(11.2km/s)보다 빨라지면 지구 중력장에서 벗어날 수 있기 때문에 인공위성을 제2우주속도 이상으로 발사하면 우주 미아가 되고 만다.
제2우주 속도에서 제3우주 속도 사이에 발사하면 태양계를 벗어날 수 없지만 지구는 빠져나갈 수 있다.이는 지구를 떠나 태양 주위를 공전할 수 있는 속도라고 보면 된다.다른 행성으로 우주선을 보내려면 이 구간의 속도로 쏴야 한다.
제3우주속도(16.7km/s)는 지구에서 출발하여 태양계에서 벗어날 수 있는 속도이다.즉 지구가 공전하는 속도를 감안한 값이므로 지구가 아닌 태양에서 출발해 태양계를 벗어나려면 더 빠른 속도가 필요하다. (태양표면에서 처음 탈출하려면 617km/s가 필요하다.)
cf)
‘학점이 10단위 안에서 놀기 때문에 그다지 빠른 속도는 아니네~’라고 생각할 수도 있지만,
지구에서 음속으로 마하1이 340m/s, 즉 시속 약 1200km인데 최신 전투기(ex 미국의 F-22 랩터, F-35 라이트닝2, 러시아의 SU-57)가 마하2(0.68km/s) 정도의 속도다. F-22의 최고 속도도 마하 2.25지구에서 1km/s 속도는 그 정도로 엄청나게 빠른 것이다.
마하 5 정도의 극초음속이 돼야 1.7km/s 이상의 속도가 되지만 마하 10(3.4km/s)이 넘는 비행체도 2007년 시험운행에서 처음 성공했을 뿐이다.스크램젯 엔진을 사용하면 이론적으로 마하 15(약 5.1km/s)까지 낼 수 있다고 한다.) 하지만 마하 23.25(7.9km/s) 정도는 돼야 지구상으로 떠날 수 있다.
이제 7.9km/s가 얼마나 빠른지 체감할 수 있을 것이다.
우주선을 발사하는 데 왜 그렇게 많은 천문학적인 돈이 드는지, 왜 우주선 발사 자체도 성공하기 어려운지가 이곳의 탈출 속도, 우주 속도에 있다.
가상의 우주 속도: 제4~6 우주 속도…
인간의 힘으로는 아직 도달할 수 없는 속도다…참고하자