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Coriolis Effect / 轉向力
1 개요
1835년 프랑스 과학자 가스파르-귀스타브 코리올리(Gaspard-Gustave Coriolis)[1]가 처음 설명한 힘으로 회전하는 관측자가 자신이 힘을 받아 회전 운동을 한다는 것을 인식하지 못할 때 모든 운동이 힘을 받은 것처럼 착각하는 효과. 실제 힘이 아닌 만큼 반작용도 존재하지 않으며, 관측자가 힘을 받는 중이라는 걸 인식하지 못한다는 면에서 원심력과 마찬가지인 현상이다. 그런 면에서 이러한 대규모의 힘을 발견하긴 꽤 어려웠을 것이다.
2 상세
대략 회전하는 궤적이 만드는 평면에 평행한 방향에 대한 관성이 원심력(다시 말하지만 힘이 아니라 현상이다), 평면에 수직한 방향의 운동에 대한 관성이 코리올리 효과. 즉, 이동하는 물체는 정상적으로 직선 운동 중이나, 좌표계가 회전하면서 벌어지는 현상이다.
쉽게 말하자면 우리가 남극에서 적도 방향으로 대포알을 하나 발사했는데 그 대포알이 왼쪽으로 휘어서 가며, 북극에서 적도 방향으로 발포했는데 오른쪽으로 휘어가는 현상과 같다고 보면 된다. 그래도 조금 상상하기 어렵다면, 당신이 같은 경도상에 있는 요하네스버그에서 아테네 쪽으로 가는 비행기를 탔다고 가정해 보자. 당신이 탄 비행기는 분명 똑바로 가고 있지만 아래에서 보면 왼쪽으로 휘어져서 가고 있는 것처럼 보일 것이다.
그래도 어렵다면, 그냥 아래의 영상을 보면 된다.
[math]2 \Omega v \sin \varphi + 2 \Omega v \cos \varphi[/math][2]
회전좌표계를 미분해서 가속도를 나타내면 아래와 같이 나온다.
[math]a=a'+\frac{dw}{dt}\times{r'}+2w\times{v'}+w\times{(w\times{r'})}+A_0[/math][3]
여기서 우변의 첫째 항은 회전좌표계에서의 물체 가속도, 둘째 항은 가로 가속도, 셋째 항은 코리올리 가속도, 넷째 항은 원심 가속도, 다섯째 항은 회전 좌표계 원점의 가속도를 뜻한다. 코리올리 힘은 셋째 항인 코리올리 가속도를 발생시키며, 그 크기는 [math]F=ma[/math]에 공식과 들어맞는다.
3 예시
3.1 기상 현상
지구와 같은 구 표면에선 이 효과로 인해 표면과의 마찰이 적은 물체의 운동이 힘을 받고 있다는 걸 까먹고 있는 표면상의 관측자에게 운동 방향이 반구마다 특정 방향으로 휘는 것으로 나타난다. 서에서 동(반시계방향)으로 도는 지구 표면 관점에서 보면 북반구에선 오른쪽으로, 남반구에선 왼쪽으로 힘을 받는 것처럼 휜다. 고기압이나 저기압부터 시작해서 바람의 방향(기온이라는 변수가 추가적으로 작용), 적도 용승 등 기상 현상에 결정적인 영향을 끼치는 요소이기도 하다.
- 기류
- 파일:Coreff.jpg
- 출처
- 북반구에서 저기압의 상승기류가 반시계 방향으로, 고기압의 하강기류가 시계 방향으로 회전하게 된다. 우리가 매년 여름마다 겪는 태풍도 북반구의 저기압 기류 중 하나이므로 당연히 반시계 방향으로 회전을 한다. 이게 북쪽으로 향하는 태풍의 진행 방향과 맞물려서 태풍의 동쪽 부분은 태풍의 이동 속도와 회전 속도가 합쳐진 속도로 바람이 불게 되고 반대로 태풍의 서쪽 방향은 태풍의 이동 속도와 회전 속도가 서로 상쇄되어서 바람이 다소 약해지게 되는데, 이게 바로 태풍의 위험반원·안전반원을 만드는 원인이다. 남반구에서는 이 방향이 반대이므로 남반구의 열대성 저기압인 윌리윌리와 같은 것은 반시계 방향으로 회전하는 것을 볼 수 있다.
- 해류의 흐름에도 '에크만 수송'이라고 불리는 효과를 준다. 해류의 흐름에는 수온과 해수면에서 부는 바람이 큰 영향을 미치는데, 지구의 자전에 의해 이 두 요인이 주는 힘의 방향이 차이 나게 되며, 이는 위도에 따라 달라진다.
4 기타
- 《콜 오브 듀티 4: 모던 워페어》의 자카예프 저격 미션에서 맥밀란 대위가 당시에는 중위였던 프라이스 대위 에게 먼 거리에 있는 자카예프를 저격할 때 코리올리 효과도 고려해야 된다고 말한다.
물론 게임이라 막상 쏘면 상관없이 팔만 잘 맞는다.
- 한때는 변기나 세면대 물이 내려갈 때에도 코리올리 효과가 적용되어 물의 방향이 달라진다는 인식이 흔했다. 현재는 이런 작은 규모에선 코리올리 효과의 작용을 관찰하기 어렵다는 것으로 결론지어졌다. 이런 경우에 물의 방향을 결정하는 것은 변기나 세면대의 디자인이 더 중요한 요인일 가능성이 높으며, 그 밖의 작은 요인들도 코리올리 효과보다는 더 크게 작용하기 때문에 특히나 육안으로 효과를 관찰하는 것은 불가능하다. 이를 눈으로 확인하려면 가정집 차고 이상 되는 훨씬 더 큰 규모에서 매우 정교하게 실험을 구성하여야 한다고 한다.
- 단, 변기나 세면대가 아닌 욕조에 찬 물을 빼낼 때는 코리올리 효과의 작용을 체험할 수 있다. 호주나 남아메리카로 관광갔을 때 호텔 욕조에서 시계방향의 소용돌이가 생기며 물이 빠지는 모습을 많이 체험한다고 한다.
- 하지만, 놀이터의 놀이기구 중 하나인 회전무대를 이용하면 간접적으로 확인할 수 있다. 기구에 탄 사람이 중앙을 향해 공을 굴리는 상황에서 외부 관찰자와 내부 관찰자의 차이를 통해 볼 수 있다. 내부 관찰자는 공이 휘어 움직이는 것으로 보이지만(전향력 작용), 외부 관찰자는 직선으로 움직이는 것을 볼 수 있다.