전향력
'''Coriolis Effect''' / 轉向力
전향력. 코리올리 효과·코리올리 힘이라고도 하며 명칭은 1835년 프랑스 과학자 가스파르-귀스타브 코리올리(Gaspard-Gustave Coriolis)[1]가 처음 설명하여 붙여졌다. 회전하는 관측자가 자신이 힘을 받아 회전 운동을 한다는 것을 인식하지 못할 때 모든 운동이 힘을 받은 것처럼 착각하는 효과를 일컫는다. 실제 힘이 아닌 만큼 반작용도 존재하지 않으며, 관측자가 힘을 받는 중이라는 걸 인식하지 못한다는 면에서 원심력[2]과 마찬가지인 현상이다.
대략 회전하는 궤적이 만드는 평면에 평행한 방향에 대한 관성이 원심력(다시 말하지만 힘이 아니라 현상이다), 평면에 수직한 방향의 운동에 대한 관성이 전향력이다. 즉, 이동하는 물체는 정상적으로 직선 운동 중이나, 좌표계가 회전하면서 벌어지는 현상이다.
쉽게 말하자면 우리가 남극에서 적도 방향으로 대포알을 하나 발사했는데 그 대포알이 서쪽으로 휘어서 가며, 적도에서 북극 방향으로 발포했는데 동쪽으로 휘어가는 현상과 같다고 보면 된다.이해하기 어렵다면 예를 들어 적도 부근에서 북극, 남극에 가까운 곳으론 날아갈땐 날아가는 물체가 동쪽으로 휘고 북극, 남극쪽에서 적도쪽으로 이동할 때는 날아가는 물체가 서쪽으로 휜다라고 생각하면 편하다. (+,- 구분 위도가 아닌 S,N 구분 위도 기준)
그래도 어렵다면, 그냥 아래의 영상을 보면 된다.
사실 전향력의 작용 메커니즘은 이 영상과는 약간 다르지만 직관적 이해를 돕기 위해 참고해 보도록 하자.
전향력 자체에 대해서 이론적으로 풀이하면 전공자가 아닌 이상 갖은 수식을 알아볼 수 없으므로 간단한 글로써 작용원리를 이해해보자, 지구는 정확히는 회전타원체이지만 일단은 둥근 구형이며, 매일 자전을 하고 있다. 이때 이 '구'와 '자전'이라는 특징 때문에 위도에 따라 지구상 물질의 회전 속력이 달라지게 된다.
예를 들어 비슷한 경도상 위치한 대한민국에 서 있는 사람과 적도부근에 위치한 인도네시아의 몰루카 해역에 서 있는 사람은 자전에 의한 회전 속력이 다르다. 왜냐면 동일한 시간 동안 다른 면적을 돌기 때문이다. 간단한 물리 식으로 설명하자면 속력은 거리/시간이다. 즉, 대한민국과 몰루카 해의 자전시간은 동일하므로 거리가 큰 쪽이 속력도 빠르다, 따라서 몰루카 해역의 사람이 더 빠른 자전속력을 갖게된다.
만약 몰루카 해역에 있는 사람이 전향력을 고려하지 않고 서울을 겨냥해 그대로 직진하는 미사일을 쏘는 경우 전향력 이외에 공기 저항이나 바람 등의 요소가 없다고 가정할 때 북반구는 우측 편향되므로 결과는 대략적으로 동해 상에 떨어지게 될 것이다. 몰루카에 있을때 미사일의 자전 속력을 V0 이라고 한다면 이 미사일은 관성의 법칙에 의하여 위쪽으로 쏘아지면서도 V0의 속력을 유지하려고 할 것이다. 쉽게 말해 ××시간당 ××면적을 자전하려고 할 것이다. 따라서 동해상에 떨어진다는 것은 적도부근에 위치했을 때와 비슷한 면적을 한국의 위도상 에서 자전하려 한 것이다.
그러나 이 현상은 범 지구적 현상이므로 전향력을 알아보기 위해 영상에 나온 것처럼 북쪽으로 공을 던진다 하더라도 그 영향력은 '아주' 미미하므로 체감하기 힘들다. 혹여나 우측 편향이 되었다 하더라도 바람 때문일 확률이 높다.
회전좌표계를 미분해서 가속도를 나타내면 아래와 같이 나온다.
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. 전향력은 셋째 항인 코리올리 가속도를 발생시키며, 그 크기는 $$F=ma$$에 공식과 들어맞는다.
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.
1. 개요
전향력. 코리올리 효과·코리올리 힘이라고도 하며 명칭은 1835년 프랑스 과학자 가스파르-귀스타브 코리올리(Gaspard-Gustave Coriolis)[1]가 처음 설명하여 붙여졌다. 회전하는 관측자가 자신이 힘을 받아 회전 운동을 한다는 것을 인식하지 못할 때 모든 운동이 힘을 받은 것처럼 착각하는 효과를 일컫는다. 실제 힘이 아닌 만큼 반작용도 존재하지 않으며, 관측자가 힘을 받는 중이라는 걸 인식하지 못한다는 면에서 원심력[2]과 마찬가지인 현상이다.
2. 상세
대략 회전하는 궤적이 만드는 평면에 평행한 방향에 대한 관성이 원심력(다시 말하지만 힘이 아니라 현상이다), 평면에 수직한 방향의 운동에 대한 관성이 전향력이다. 즉, 이동하는 물체는 정상적으로 직선 운동 중이나, 좌표계가 회전하면서 벌어지는 현상이다.
쉽게 말하자면 우리가 남극에서 적도 방향으로 대포알을 하나 발사했는데 그 대포알이 서쪽으로 휘어서 가며, 적도에서 북극 방향으로 발포했는데 동쪽으로 휘어가는 현상과 같다고 보면 된다.이해하기 어렵다면 예를 들어 적도 부근에서 북극, 남극에 가까운 곳으론 날아갈땐 날아가는 물체가 동쪽으로 휘고 북극, 남극쪽에서 적도쪽으로 이동할 때는 날아가는 물체가 서쪽으로 휜다라고 생각하면 편하다. (+,- 구분 위도가 아닌 S,N 구분 위도 기준)
그래도 어렵다면, 그냥 아래의 영상을 보면 된다.
사실 전향력의 작용 메커니즘은 이 영상과는 약간 다르지만 직관적 이해를 돕기 위해 참고해 보도록 하자.
전향력 자체에 대해서 이론적으로 풀이하면 전공자가 아닌 이상 갖은 수식을 알아볼 수 없으므로 간단한 글로써 작용원리를 이해해보자, 지구는 정확히는 회전타원체이지만 일단은 둥근 구형이며, 매일 자전을 하고 있다. 이때 이 '구'와 '자전'이라는 특징 때문에 위도에 따라 지구상 물질의 회전 속력이 달라지게 된다.
예를 들어 비슷한 경도상 위치한 대한민국에 서 있는 사람과 적도부근에 위치한 인도네시아의 몰루카 해역에 서 있는 사람은 자전에 의한 회전 속력이 다르다. 왜냐면 동일한 시간 동안 다른 면적을 돌기 때문이다. 간단한 물리 식으로 설명하자면 속력은 거리/시간이다. 즉, 대한민국과 몰루카 해의 자전시간은 동일하므로 거리가 큰 쪽이 속력도 빠르다, 따라서 몰루카 해역의 사람이 더 빠른 자전속력을 갖게된다.
만약 몰루카 해역에 있는 사람이 전향력을 고려하지 않고 서울을 겨냥해 그대로 직진하는 미사일을 쏘는 경우 전향력 이외에 공기 저항이나 바람 등의 요소가 없다고 가정할 때 북반구는 우측 편향되므로 결과는 대략적으로 동해 상에 떨어지게 될 것이다. 몰루카에 있을때 미사일의 자전 속력을 V0 이라고 한다면 이 미사일은 관성의 법칙에 의하여 위쪽으로 쏘아지면서도 V0의 속력을 유지하려고 할 것이다. 쉽게 말해 ××시간당 ××면적을 자전하려고 할 것이다. 따라서 동해상에 떨어진다는 것은 적도부근에 위치했을 때와 비슷한 면적을 한국의 위도상 에서 자전하려 한 것이다.
그러나 이 현상은 범 지구적 현상이므로 전향력을 알아보기 위해 영상에 나온 것처럼 북쪽으로 공을 던진다 하더라도 그 영향력은 '아주' 미미하므로 체감하기 힘들다. 혹여나 우측 편향이 되었다 하더라도 바람 때문일 확률이 높다.
회전좌표계를 미분해서 가속도를 나타내면 아래와 같이 나온다.
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. 전향력은 셋째 항인 코리올리 가속도를 발생시키며, 그 크기는 $$F=ma$$에 공식과 들어맞는다.
2.1. 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
[image]
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 시계 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.
3. 기타
- 장거리 사격을 하는 군사무기에서도 매우 중요한데, 사거리가 수km를 넘어가는 모든 무유도 무기[5]에는 조준할 때 코리올리 효과를 고려한다. 저격소총의 탄환부터 대구경 무유도 로켓까지 모두다.
- 《콜 오브 듀티 4: 모던 워페어》의 자카예프 저격 미션에서 맥밀란 대위가 당시에는 중위였던 프라이스 대위에게 먼 거리에 있는 이므란 자카에프를 저격할 때 전향력도 고려해야 된다고 말한다. 물론 콜 오브 듀티 시리즈 대대로 탄도학 따위는 구현되지 않았을뿐더러 막상 쏘면 어느 위치든 상관없이 팔만 무조건 맞게 된다.
- 《강철신 지그》에서도 잠깐 언급된다.
- 한때는 변기나 세면대 물이 내려갈 때에도 전향력이 적용되어 물의 방향이 달라진다는 인식이 흔했다. 현재는 '이런 작은 규모'에선 전향력의 작용을 관찰하기 어렵다는 것으로 결론지어졌다. 이런 경우에 물의 방향을 결정하는 것은 변기나 세면대의 디자인이 더 중요한 요인일 가능성이 높으며, 그 밖의 작은 요인들도 전향력보다는 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.
- 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.
- 중화권에서는 科氏力(과씨력, ke shi li)이라 읽는다. 이는 科里奥利力(크리올리 힘, Ke li ao li li)을 줄인 표현이다.