허리케인 소용돌이의 방향에 숨어있는 '코리올리의 힘'

지난 8월 말 미국을 강타한 미국 역사상 10대 자연재해 중 하나로 꼽히고 있는 허리케인 ‘아이린’. 시속 170㎞이라는 어마어마한 강풍으로 미 동북부를 휩쓸고 지나갔습니다. 이 허리케인의 소용돌이는 어느 방향으로 만들어져 돌면서 미 동북부를 지났을까요?

정답은 시계 반대 방향!

허리케인은 어디서나 시계 반대 방향으로 회전할까요? 아닙니다^^

지구 북반구에서는 시계 반대 방향으로, 남반구에서는 시계 방향으로 회전을 한답니다.

허리케인의 소용돌이 방향에는 과학의 원리가 숨어있습니다.

 

허리케인 소용돌이 방향에 숨어있는 과학의 원리는 바로 코리올리의 힘!

 
 

‘코리올리의 힘’은 무엇인가요?

‘코리올리의 힘’는 ‘전향력’의 또 다른 이름입니다. 이 전향력은 관성의 한 종류인데, 프랑스의 공학자이자 수학자인 코리올리(Gustave Gaspard Coriolis)가 회전 기계의 역학을 연구하다 발견해 코리올리 힘이라 이름 지어졌습니다.

코리올리의 ‘힘’이라고 불리고 있는데 이 힘은 실제로 존재하는 것이 아니고 원심력과 같이 실존하지는 않으면서 겉보기에만 나타나는 것입니다. 그래서 코리올리의 ‘힘’이라고 표현하는 것보다 ‘효과’라고 표현하는 것이 더 적절하다는 주장도 있습니다.

이 힘은 지구상에 존재하는 모든 이동물체에 영향을 주기는 하지만 그 영향력은 이동물체의 크기에 따라 달라집니다. 흔히 세면대에서도 코리올리의 힘이 작용된다고 하지만 그 힘은 너무 미미해서 세면대의 각기 다른 구조, 주변 상황에 따라 물이 시계 방향으로 흐르기도, 시계 반대 방향으로 흐르기도 합니다. 하지만 허리케인 소용돌이의 경우에는 코리올리의 힘이 항상 적용됩니다.

 
 

어디어디에 숨어있나요?

 

코리올리의 힘이 확연히 보이는 태풍의 소용돌이

코리올리의 힘이 적용되는 현상을 쉽게 볼 수 있는 것은 태풍의 소용돌이입니다. 전향력은 지구의 자전으로 인해 일어나는 현상입니다. 전향력은 지구 북반구에서는 시계 반대 방향으로, 남반구에서는 시계 방향으로 작용되기에 태풍의 소용돌이도 이에 맞춰 일정한 방향으로 움직입니다. 태풍이 남반구에서는 저기압 중심으로 공기가 들어오다가 전향력에 의해 휘어지며 북반구에서는 시계 반대 방향으로 소용돌이치는 모습을 보여줍니다.

 

 

북반구

남반구

지구 북반구에서는 시계 반대 방향으로, 남반구에서는 시계 방향으로 작용되는 코리올리의 효과

                                                                                              

중고등학교 과학 수업 시간에 '세면대에 물을 받고 마개를 빼면 물이 어떻게 빠질까?'라는 질문을 받은 적이 있을텐데요, 세면대에서도 코리올리의 힘이 일어날 수 있다는 것을 설명하고자 한겁니다.

우리가 위치한 북반구에서는 세면대의 물이 빠질 때 물이 시계 반대 방향으로 돌면서 빠질까요, 아니면 시계 방향으로 돌면서 빠질까요?

정답은 "세면대의 물은 시계 반대 방향으로, 시계 방향으로, 마구잡이로 빠질 수 있다"는 것입니다.

 

코리올리의 힘이 미치기에 세면대 속 물은 작은 회전 반경을 가졌고 물의 속도가 빠르다.

세면대의 각기 다른 구조, 주변 상황에 따라 코리올리의 힘은 나타나기도, 나타나지 않기도 하다.

 

'세면대에서 코리올리의 힘이 적용이 되는가'에 대한 논의는 과학자들 사이에서 수많이 이루어졌습니다. 하지만 앞서 말씀드렸듯이 코리올리의 힘은 물의 회전에 관여할 만큼 크지 않는 것으로 결론 지어졌습니다. 세면대 속의 물의 회전은 작은 회전반경을 가졌고 또 물의 속도가 빠르기 때문에 코리올리의 힘이 구심력 역할을 할 수 없는 것입니다. 태풍과 같이 대규모 순환의 경우는 회전반경이 엄청나게 크고 속도가 느리기 때문에 작은 코리올리의 힘만으로도 설명이 가능합니다. 하지만 세면대 속 물이 작은 회전 반경을 가진만큼 회전량도 크게 형성되지 못해 코리올리의 힘이 적용되기 어려운 것입니다.

 

세면대 배수구 쪽에 가까운 물은 배수구에서 먼 바깥 쪽의 물보다 속도는 느리면서 회전반경이 작습니다. 그래서 한번 회전하는데 필요한 회전주기가 더 빠릅니다. 이에 안쪽의 물은 밖의 물을 점성으로 잡아끌면서 회전하게 됩니다. 이에 따라 결국 바깥 쪽의 물은 속도가 점점 더 빨라지고 안 쪽의 물은 점점 속도가 느려지면서 배수구인 중심부로 접근합니다. 물이 빠져나가는 중심부에 도달했을 때는 회전운동량은 거의 사라지면서 회전주기는 굉장히 짧아지게 됩니다. 결국 물이 빠지는 소용돌이는 물이 빠지면서 생기는 회전운동량이 전체적으로 집적되면서 커지게 되고, 점성이 없는 유체가 구멍을 통해서 물이 빠지는 경우보다 회전량이 훨씬 커지게 됩니다. 이같은 설명은 물의 빠짐은 단지 코리올리의 힘만으로 설명할 수 없다는 점을 알려줍니다. 유체의 점성에 따라서도 소용돌이의 방향, 모양은 바뀔 수 있다는 것이지요^^

 

외부에서 전혀 힘을 가하지 않는 조용한 상태의 물은 태풍과 같이 코리올리의 힘을 보여줄 수 있다고 합니다.

외부의 힘을 없애기 위해서는 물을 오랫동안 고요한 정지 상태로 유지해야 합니다. 과학자들은 이 실험을 위해 물을 채운 뒤 최소 하루, 길게는 일주일 까지 기다렸습니다. 이같은 방법을 이용해보신다면 집의 세면대에서 코리올리의 힘을 확인해볼 수 있겠습니다^^!

 

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