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중력

last modified: 2016-02-13 14:32:04 Contributors

Contents

1. 질량을 가진 두 물체가 서로 끌어당기는 힘
1.1. 중력파 발견
1.2. 창작물에서
1.2.1. 각 매체에서의 중력 능력자들
2. 포켓몬스터기술 중력(포켓몬스터)
3. 온라인 게임 제작사
4. 영화 그래비티

1. 질량을 가진 두 물체가 서로 끌어당기는 힘


질량이 있는 두 물체가 서로 끌어당기는 힘을 말한다. 질량을 가진 물질들 사이에 발생되는 힘으로서, 두 물체의 질량의 곱에 비례하며 거리의 제곱에 반비례한다. 그러니까 물체들이 무거울수록 힘이 강해지고, 사이의 거리가 멀어질수록 힘은 약해진다. 거리가 아무리 멀어져도 아주 작은 중력은 언제나 존재하며 따라서 실질적으로 중력이 0이 되는 곳은 우주 안에 없다.[2]

중력은 보존력으로, 마찰 등이 없다면 중력장 내에서는 위치에너지와 운동에너지의 합이 일정하다.

중력이 강한 별에 갈수록 체중은 늘어나게 된다. 무게라는 것이 질량에 중력 가속도를 곱한 값이기 때문이다.

지구의 중력을 측정할 때에는 보통 gravitational force(F)를 측정할 수 없기 때문에 gravitational acceleration(g), 즉, 중력 가속도를 측정한다. 지구의 중력 가속도는 위치에 따라 다르지만, 보통은 약 9.8m/s^2 이다. 대체로 위도가 낮아질 수록 중력가속도가 작아지는데, 이는 지구가 완벽한 구형이 아니기 때문이다. 지구의 적도지점 반경이 극점지점 반경보다 약간이지만 더 길어 적도 쪽으로 갈수록 자전의 원심력에 의해 중력 가속도가 미약하게 상쇄되는것. 다만 그 차이는 매우 작게 나타나기 때문에, 이를 측정하기 위한 중력측정기는 매우 민감하다. 얼마나 민감한지 달의 움직임은 물론 심지어 근처에 사람이 지나가는 것도 감지한다고 한다.[3]

인간이 지구상에서 중력 자체를 변화시킬 수는 없지만, 자유낙하나 원심가속기등을 통하여 중력이 변한 상황을 체험할 수는 있다. 정확히는 중력을 바꾸는 것이 아니라 몸에 미치는 가속도를 바꾸는 것이지만, 사실 상대성 이론에 따르면 중력이 곧 가속도고

반대로 인간이 가짜 중력을 만들어낼 수도 있는데, 이를 인공 중력(artificial gravity; paragravity)이라고 한다. 미래의 우주선이나 스페이스 콜로니 등에 적용될 가능성이 매우 높은 기술로, 현재까지 제안되고 있는 인공 중력을 만들어낼 수 있는 방법은 대충 4가지다. 하나는 지구상에서 실제로 사용되고 있는 '회전', 그리고 '선형 가속', '자석', '질량'. 이중에서 질량은 말 그대로 질량이 무식하게 큰 물체를 이용하여 일반적인 중력을 발생시키는 것이다. 자석은 말그대로 자석을 사용해 우리 몸의 원자를 한방향으로 끌어당김으로써 인공중력을 만드는 방법이다.[4] 나머지 회전과 선형 가속은 관성력을 이용해 인공중력을 만드는 것이다.

실생활에서 사용되고 있는 '회전'을 이용한 인공 중력 생성의 예시로, 원심가속기에다가 사람을 집어 놓고 빙빙 돌리면 원심력에 의하여 평소보다 더 많은 중력이 걸리게 할 수 있다. 실제로 전투기 조종사들은 이러한 훈련을 받는데, 급기동시에는 전투기 자체가 선회를 하며 원심력이 걸려서 조종사들이 중력의 6~9배 되는 힘을 받기 때문. 보통 이를 중력의 몇 배인가로 나타내며, 이를 G라고 한다. 잘 훈련받은 조종사여도 5~6G 정도의 상황이 되면 피가 몸 아래로 쏠려서 뇌와 안구에 혈액이 부족해짐에 따라 시야 주변이 어두워지기 시작하며 9G 가까이 되면 만렙 조종사고 뭐고 몇 십초 이후 블랙아웃에 빠지거나 아예 의식을 상실하는 G-LOC 상태에 빠지게 된다. 반대로 힘이 머리방향으로 작용하면[5] 중력의 2~3배 넘는 힘만 작용해도 피가 머리로 심하게 쏠려서 눈앞이 빨개지는 레드아웃 현상을 경험하거나 아예 혈관이 터져서 실명이나 뇌출혈을 일으킬 수 있다. F-1 레이서의 경우 코너링을 할 때 가속이 옆으로 작용하기 때문에 한쪽눈은 피가 쏠리고, 반대쪽은 피가 부족한 진귀한 경험을 할 수도 있다.

원심가속기는 건축이나 군사분야에도 쓰고 있다. 한국 수자원공사에서 100억원 가량을 들여 건물의 붕괴를 관측하기 위해 최대 150배 중력이 걸리는 원심모형가속기를 만들었고, 미국에서는 최대 350배의 중력 부하가 걸리는 실험기로 신형 폭약의 위력을 실험한다고 한다. # 현실 과학 기술의 위엄. 잘하면 드래곤볼의 중력 수련장도 가능하다!

SF물에 나오는 일부 우주선이나, 우주 정거장, 스페이스 콜로니 등에서도 중력을 발생시키는 특별한 공상과학기술 대신 거주공간을 원통형 내지 고리 형으로 만들어서 회전시킴으로서 원심력을 이용한 인공중력을 만드는 모습을 볼 수 있다. 현실에서도 원심력은 현재 실질적으로 실용화 가능한 유일한 인공중력지속수단이지만, 내부에서 사람이 균형감각에 불편을 느끼지 않고[6] 거주하기 위해서는 최대한 분당회전수를 줄이고 회전반경을 늘려야 한다는 단점이 있다. 참고로 1분에 2.5바퀴 회전시키는 경우 반경 144m쯤의 원주에서 1G 가량의 중력을 구현할 수 있다.

허나 멋이 없기 때문에 대다수의 SF물에서는 원심력을 이용하지 않고 인공 중력을 공상과학기술로 그냥 만들어내는 우주선 등을 등장시키는데, 상술한 가장 기초적인 방법들을 사용하지 않고 중력을 만들어내는 확실한 방법은 현대 과학에 따르면 아직까진 없다. 유력한 이론으로는 자기중력장을 이용한 방법이 있는데, 이와 관련해서 러시아엔지니어 예브게니 폿클레트노프(Евгений Подклетнов)가 회전하는 초전도체를 이용하여 강력한 자기중력장을 만들어내는데 성공했다고 1990년대부터 주장하고 있다. 그동안 제 3자에 의하여 이 실험 결과가 검증된 적은 없었으나, 2006년 ESA의 연구팀이 비슷한 장치를 이용, 실제로 인공 중력 비슷한 현상을 일으키는데 성공했다고 주장했다. 표준 중력의 1억분의 1에 불과했지만...

이런저런 이유로 테라포밍을 할때 최종관문으로 꼽히는 부분이기도 하다. 물,공기 같이 행성 표면에 있는건 어찌 할 수 있어도 중력을 조절하는건 행성 자체를 개조하는거와 다를게 없기 때문.

본래 중력은 뉴턴에 의해 '만유인력'이라는 개념으로 정립되었다. 뉴턴이 정립한 고전역학에서 만유인력이란 모든 것을 당기는 힘을 말하며, 지구의 중력은 물체와 지구 사이에서 작용하는 만유인력의 예다. 그는 이를 아주 먼 거리에 있는 물체들 사이에도 작용하는 힘으로 생각했으나 원인에 대해서는 설명하지 않았다. 이에 대해 이후 아인슈타인을 비롯한 여러 학자들에 의해 수많은 가설들이 제기되었다. 뉴턴의 중력 법칙두개의 물체 사이에 작용하는 만유인력의 크기 F는 두개의 물체의 질량 m1과 m2 에 비례하고 두개의 물체 사이의 거리 r의 제곱에 반비례한다는 것이다.

수식으로 정리한다면

여기서 G는 중력상수로 중력의 값을 구할때 필요한 값이며, 실험으로 측정되어야 한다.

이 이론과 측정값, 그리고 구심력에 관한 이론에 의하면 지구상에서 뭔가를 수평으로 던질 때 그 속력이 약 7.9 km/s(제1 우주속도) 이상이 되면 중력이 구심력 역할을 하게 되어 그 물체는 지구를 공전한다. 그 이상의 약 11.2km/s(제2 우주속도)가 되면 지구에서 벗어날 수 있다. 제3우주속도는 16.7km/s로 속력이 이 정도 이상이 되면 태양의 인력권을 벗어나 태양계를 빠져나갈 수 있다.

주의할점은 물체를 파고들어가서 질량중심에 물체를 놓는 것이 거리를 0으로 만들지 않는다는 것.[7] 실제 우주에서는 질량이 질량중심 한 곳에 모인 형태는 블랙홀을 제외하고는 없으므로 제대로 중력을 계산하기 위해서는 미소질량마다 따로따로 중력을 계산한 뒤 그것을 모조리 더해야 한다. 물리를 잘못 배우면 생기는 오개념 중 하나이므로 유의하자.

그러나 이후 아인슈타인의 등장과 함께 중력의 개념에 대한 대대적인 수정이 이루어지게 된다. 매우 단순하게 말하면 중력은 관성력과 '거의'[8]] 구분할 수 없다는 것.

상대성 이론에서 관성력이 가해지는 상황에서는(=가속이 이루어지는 상황에서는) 시간의 흐름이 느려지므로, 중력이 강한 곳에서는 시간의 흐름이 느려지기도 한다.[9]

상대성 이론에서의 중력이 기존의 중력과 결정적으로 다른 점은 질량이 없는 것들에게도 작용한다는 점이다. 그 예시가 빛으로, 빛은 질량이 0이므로 고전역학에 따르면 중력의 간섭을 받지 않아야 하지만 실제로는 빛도 중력에 의해 휘어짐이 증명되었다. 또한 상대성 이론에서는 중력을 '공간의 휘어짐'에 따른 결과로 설명한다는 점에서도 고전 역학과 차이가 있다.

이후 물리학의 발전을 거쳐, 현재 중력은 20세기 중반 이후 대통일이론과 초대통일이론의 등장에 따라 강한 핵력(strong force), 약한 핵력(weak force), 전자기력(magnetic force)과 함께 자연계의 기본 상호작용으로 불린다.

4가지 중에서는 가장 약한 힘으로, 글루온에 의해 색소 전하(colour charge)를 지니는 강입자(Hadron) 사이에서 매개되는 강력에 비해 10-38 배(!)만큼 작다.(사실 지구 정도의 질량에 비해서 이 정도 힘이면 무척 작은거다!!) 그러나 척력(반중력)이 없고, 작용 거리가 무한대이기 때문에 사람이 볼 수 있는 크기의 세상에서는 매우 중요하게 보인다.

초대통일이론에서는 다른 힘에서 말하는 글루온, 광자, W/Z 보존과 같이 중력자(graviton)이라는 미지의 입자를 교환하는 것에 의해 중력이 발생한다고 말한다. 단순히 힘의 세기로 보면 4대 힘 중에는 가장 약하지만, 작용거리가 무한대라는 특징이 있다.

1.1. 중력파 발견

중력자는 한동안 실험적으로 발견되지 않았다. 이론상 예측된 '중력과 다른 힘이 구분할 수 없게 될 때 필요한 에너지'가 흠좀무이다. 우주 태어날 때 태초의 에너지 수준이 필요하다. 때문에 입자가속기 실험 정도 따위로는 쳐다보지도 못한다. 중력파 검출을 통한 방법이 아닌 한은. 그런데 이 중력파 검출도 더럽게 힘든 일이다. 중력파가 검출기를 지나가면서 검출기를 축소, 팽창시키는 미세한 움직임을 포착해야 하는데, 이 움직임이 더럽게 작다. 어느 정도냐 하면, 킬로미터 단위의 거리에서 나노미터 이하의 변화를 측정해야 한다. 이는 1012배의 차이로, 얼마나 정밀한 측정인지 알 수 있다.

LIGO라는 중력파 검출 장치는 간섭계라는 극도로 정밀한 거리 측정 장비를 이용해 몇 킬로미터의 거리를 측정한다. 2003년에 완공되었는데 지금까지 직접적인 검출을 못했다. LISA라는 계획도 있는데, 이는 우주선 3기를 이용해 삼각형 모양으로 배치해서 간섭계를 설치하겠다는 말이다. 당연히 돈은 더럽게 많이 들지만 좀더 정확도는 올라갈 것이다.

다만 간접적으로는 중력파를 측정한 적이 있다. 서로의 주위를 도는 연성계(아령을 돌린다고 생각하면 된다)에서는 중력파를 방출하면서 서서히 궤도가 줄어드는데, 이걸 측정하면 중력파의 크기를 대략 알 수 있다. 중력파도 일단은 파동인 이상 이걸 방출하는 물체는 에너지를 잃고, 그 결과 매우 미세하지만 궤도가 줄어든다는 소리.

초끈이론에서 저 중력자에 해당하는 입자가 예측되었는데 이론상 중력자는 스핀 2에 질량 0이어야 하며 실제로 그러한 것이 '존재할 수 있다'는 정도. 이 가설이 사실이라면 중력의 속도는 빛의 속도와 같다. 질량이 0인 양자는 빛의 속도 미만으로도, 그걸 넘어서도 운동할 수 없기 때문.사실 초끈이론을 신봉하는 과학자들의 믿는 구석 중 하나가 이것이다. 중력자가 존재한다는 걸 스스로 예측할 정도면 믿을 만한 이론이 아니겠나 하는. 초끈이론과 비슷한 양자 중력 이론 중에는 루프 양자 중력 이론이 있다.

그런데 2014년 3월 18일, 중력파 검출에 성공했다는 기사가 나왔다.
이를 연구해 노벨상을 받는 사람이 나오면 인류는 데스스타만들 수 있다.
…는 하버드 대학등 연구자가 중심이 되어 남극에서 우주 배경 복사를 관측하고 있는 BICEP2 그룹이 2014년 3월 17일 원시 중력파의 흔적을 포착했다고 발표한 사건이다.우주 배경 복사와 중력파의 관계는 인플레이션 이론을 참조.하지만 이번 발표만으로 원시 중력파가 발견되었다고까지는 할 수 없다고 한다.BICEP2 그룹의 발표에선 원시 중력파의 강도는 r이라는 값으로 나타내는데 이 수치가 0.2라는 종래의 예측보다 큰 값이였다. 그렇게 말하는 이유는 2013년에 우주 배경 복사 관측 위성인 플랑크에 의해 95%의 신뢰도로 r의 값은 0.11 이하가 되어야 한다는 제한이 설정되었기 때문이다. 관측 수법의 차이가 있다 해도 BICEP2와 플랑크는 기본적으로 같은 것을 관측하고 있으므로 둘의 차이를 해결해야만 한다.앞으로의 검증이 중요한 의미를 가진다,2014년 내에 발표될 예정인 플랑크의 관측결과가 주목되고,다른 여러가지 중력파 검출 계획에서도 이번 결과를 검증 할 수 있도록 관측을 계속하고 있다. 이번 BICEP2에 의한 관측이 계기가 되어 원시 중력파에 대한 관측 경쟁은 점점 치열해질 것이다.

...드디어 2016년 2월 11일 LIGO 에서 중력파 검출에 성공했다는 기사가 나왔다!!(오오!! 오오!!) 인터스텔라를 감수한 킵손 교수를 비롯한 연구진은 올해 노벨 물리학상을 받을 것으로 예상된다.

1.2. 창작물에서

독자적인 속성으로 나오는 경우도 많지만, 의 하위 속성으로 나오는 경우도 종종 있다. 보통 일정 범위 내의 중력을 조절하는 능력으로만 나오면 약체 취급을 면하기 힘들지만, 염동력에 가깝게 묘사되는 경우는 굉장히 강하게 나오는게 보통이다.

애니나 만화 게임 등에서 중력은 주 사용처로는 무게를 늘리거나 날아다니거나 방어하거나 하는 등 매우 다양한 용도로 쓰인다(예: 그랑존). 그리고 능력자 배틀에서 안 나올것 같지만 은근히 많이 나온다.

가끔 수련용이나 공격용으로 쓰기도 한다. 대표적으로 드래곤볼에서 오공은 심심하면 높은 중력조건 하에서 수련한다. 확실히 힘이 쎄지긴 할 것 같다(...). 생물학적으로도 고중력 환경에서 사는 생물은 모든 조직이 지구의 생물보다 압도적으로 강할 듯 그래봤자 쬐끄맣겠지만.[10]

반대의 경우로 중력이 낮은 곳에서는 지구인도 강해지지 않을까 하는 생각을 하게 되지만 어차피 잠깐 강한 상태가 유지될 뿐이고 인체의 상태는 환경에 따라 변하기 때문에 저중력하에서 계속 생활하면 혈압과 골밀도에 서서히 이상이 오고 신체가 저중력에 맞춰 약화된다. 대신 오래 있으면 키가 커진다. 하지만 골밀도를 줄이고 키를 늘리는 현시창스러운 중력의 장난이므로 큰 기대는 하지 말자. 한마디로 키가 커지는대신 뼈안쪽은 텅텅비어서 이전보다 몇배는 더 부러지기 쉬운 뼈가 되는것이다. 그 상태로 원래의 중력으로 돌아가면 와장창.

가즈 나이트에서도 등장한 바 있으며 봉신연의에서는 원시천존의 반고번이 중력조절의 능력으로 등장하는데 일정 지역에 무려 중력 1000배 디버프를 거는 기능이 있다. 심지어 원시천존은 여러 요인들로 인해 제 실력을 내지 못했던 것이고, 연등도인이 사용했을 때에는 중력 만 배까지 나온다. ㅎㄷㄷ

마법선생 네기마!알비레오 이마는 아예 특기가 중력마법. 국소영역의 중력을 급증시키거나 감소시킬 수 있다.

샤아 아즈나블의 발언에 의하면 인간의 혼을 사로잡고 있는 힘.

엔리코 푸치C-MOON은 중력의 방향을 바꾼다. 메이드 인 헤븐은 그 범위가 하도 커서 시간을 가속하는 지경에까지 이른다. D4C는 중력이 약점이다.

하쿠레이 레이무체셔 캣은 이 힘을 무시한다.

파이널 판타지 시리즈에선 그라비데 시리즈의 마법으로 표현되며 상대 HP를 일정 비율만큼 감소시키는 역할을 한다.


블리치귀도 중 파도90 흑관은 시공을 뒤틀 정도의 강한 중력으로 상대를 짓누르는 기술이다.

슈퍼맨의 초인적인 힘은 고향별인 크립톤과 지구 사이의 중력차에 의해서 나온다. 하지만 이러한 논리대로라면 유년기에서부터 지구에서 자라온 슈퍼맨은 거기에 적응해 자연히 힘이 약화되어야 하지만 작중에선 전혀 영향이 없다(...) 크립인은 적응따위 모르나 보다. [12].

중력이라는 개념이 없는 고전 게임에다가 중력을 적용하면 기괴한 풍경이 펼쳐지게 된다. 대표적인 예가 Not PacmanNot Tetris 2.

1.2.1. 각 매체에서의 중력 능력자들

3. 온라인 게임 제작사

대한민국온라인 게임 제작사 Gravity.

대표작으로는 「라그나로크 온라인」이 있었으나 병맛 운영으로 좋은 퀄리티의 게임들을 대차게 말아먹고 유저들의 게임 자체에 대한 충성도는 매우 높다.그라비티를 깔 뿐이다. 현재는 일본에 판권을 넘겼다. 항목 1이 어원이며 그에 따라 애칭은 '중력사'. 중력성인이라는 드립을 치기도 한다. 하지만 유저들 대부분의 통칭은 구라비리(…)

여하튼 자세한 내용은 그라비티 항목 참조.

4. 영화 그래비티


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  • [1] 보통 지구의 중력을 이야기할 땐 그래비티, 중력 개념 자체를 이야기할 땐 그래비테이션을 쓴다.
  • [2] '무중력'상태는 중력의 크기가 0인 상태가 아니라, 비관성계에서 중력과 관성력이 상쇄되는 상황이거나 관성계에서 수직항력 없이 중력만 작용하는 상태이다. 자세한 건 항목참조.
  • [3] 절대가속도계라는 물건이 있는데, 자동으로 쇠구슬을 진공상태의 내부로 떨어뜨리면서 루비듐 레이저를 구슬에 쏴 그때 발생하는 레이저 간섭을 사용하여 측정한다. 쇠구슬을 다시 집어넣고 내부를 진공으로 만들고 하는 일련의 과정에 시간이 많이 걸려 실시간 측정은 불가능하나 달의 움직임을 포착하거나 근처에 사람이 있는지 없는지를 판별할 수준의 정밀도는 충분히 나온다.
  • [4] 단 일반적으로 자석은 자성을 지닌 물질만 상호작용한다. 따라서 대상에게 전류를 흘려주거나 해서 자성을 띠게해야만 자석으로 중력을 모사할 수 있다.
  • [5] 이를 테면 중력이 강하게 작용하는 곳에서 거꾸로 뒤집혔다던지...전투기 조종사는 주로 급강하시 이를 경험하게 된다.
  • [6] 관성이 적용되므로 내부에 특별히 물리적인 불편은 없으나 생물의 감각기관은 이럴때만 쓰잘데기없이 섬세하기 때문에 흔들림과 같은 여러 요인들이 겹쳐 멀미 등의 문제를 일으킬 수 있다.
  • [7] 한 예시로, 지구의 두께의 반만큼 파서 들어가더라도 중력은 4배로 늘어나는것이 아니라 오히려 반으로 줄어든다. 그 이유는 밀도가 균일한 구형 물체에서는 측정지점 바깥을 둘러싼 껍질에 의한 중력은 서로 상쇄되어 0이 되고(이를 구각 정리라고 한다) 안의 질량들만 알짜 중력을 주기 때문. 이 때문에 지구를 균일한 구로 가정하고 계산한 중력의 그래프를 보면 0~r까지는 직선의 형태로 중력이 증가하다가 r부터(지표 위부터) r^2의 반비례 하는 형태로 감소한다. 지구의 밀도가 균일하지는 않기 때문에 실제 지구의 중력은 외핵 근처에서 최대가 되고 그 아래는 작아지다가 중심에서 0이 된다.
  • [8] '거의'라는 표현을 붙인 이유는 상대성 이론항목 참고
  • [9] 그래서 인공위성은 수시로 지상의 시간에 맞춰 동기화시킨다. 지상보다 중력이 상대적으로 약한 곳에 위치하여 시간의 흐름이 지상에서보다 미세하게나마 빠르기 때문.
  • [10] 물론 이건 오공이 사이어인이라 그러한 것이고 인간이 괜히 이를 따라하면 오래 살지 못한다. 연구결과 중력의 1.5배만 되어도 연골과 관절이 부하를 견디지 못하고 요단강을 건넌다고 한다. 영/유아기때부터 고중력하에서 자라 이후 생장을 고중력에 맞추어 한다면 육체가 이에 적응해 괜찮을 가능성이 높다는 가설이 있지만 지금 기술로는 검증할 방법도 없고, 직접 실험하자니 심각한 윤리 문제도 발생해서 쭉 가설의 영역에 있게 될듯 하다.
  • [11] 1호는 시리즈 공통의 빠루.
  • [12] 물론 태양 또한 힘의 원천이긴 하지만...
  • [13] 존재 자체가 중력을 상징하는 영웅. 궁극기도 블랙홀이다.
  • [14] 스우 레이드 시 BGM 제목이 각각 1페이즈에서는 Gravity Core, 2페이즈에서는 Gravity Lord, 3페이즈에서는 Gravity Lord Rise다.
  • [15]반고번보패로 사용하는 인물들은 모두 해당된다. 애니판인 선계전 봉신연의 한정으로 달기문중도 여기에 포함된다.
  • [16] 90번대 귀도인 흑관도 있지만...
  • [17] 최후반부에 땅의 힘을 얻어 중력을 사용한다.
  • [18] Defying Gravity를 통해 날아오른다.
  • [19] 말 그대로 블랙홀 위험해서 상당히 억눌은 수준이였지만 지도에서 섬하나를 소멸시켰다
  • [20] 정확히는 중력의 상쇄
  • [21] 용으로 변신했을 때 한정.
  • [22] 성령 '라이브라'가 중력 조절 능력을 갖고 있다.
  • [23] 사우전드의 이름이 그라비 둠이다.
  • [24] 근데 중력이라면서 척력도 사용하는게 어째...