Earth & Planetary Science

Coriolis effect in toilets?

by 조영우 posted Jun 05, 2015 Views 2398 Likes 0 Replies 0
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Corilois effect in toilets? 
#코리올리효과, #전향효과, #전향력, #CoriolisEffect

   욕조나 변기물이 빠질 때 나타나는 물의 회전을 코리올리 효과와 연관시킬 수 있을까요? 아니면, 이렇게 작은 규모에서는 코리올리 효과를 관찰하는 것이 어려울까요? 아메리카 대륙의 적도를 지나는 나라인 에쿠아도르에서는 적도선을 기준으로 코리올리 효과가 어떻게 나타나는지를 설명하는 쇼를 진행하는 사람이 있습니다. (링크: Ecuador At The Equator - Water Demonstration - Coriolis Effect) 작은 욕조에서 물이 빠질 때 나타나는 물의 회전을 보여주는 것인데, 적도와 적도의 남쪽 및 북쪽에서 이 쇼를 할 때 물이 회전하는 방향이 정확하게 코리올리 효과를 반영한다는 것입니다. 불과 몇 미터 북쪽과 남쪽으로 움직임에 따라 이렇게 물의 회전 방향이 달라질 수 있을 만큼 코리올리 효과는 민감하게 작용하는 것일까요? 

   코리올리 효과는 특정 규모 이상에서만 작용하는 효과는 아닙니다. 이러한 관성 현상이 특정 규모를 기준으로 하여 존재하거나 존재하지 않는 불연속적인 속성을 가질 수는 없습니다. 가속도 운동을 하는 지구에서 운동하는 물체에게 코리올리 효과는 항상 존재하되 물체의 운동 규모가 클수록 그 효과는 더 두드러집니다. 

   물체의 운동 규모가 충분히 작은 경우에는 코리올리 효과가 매우 미약합니다. 따라서, 운동 규모가 이처럼 매우 작은 경우에는 코리올리 효과보다 욕조나 변기의 표면 특성이나 물을 붓는 방향과 같은 초기 조건에 의한 효과가 더 큽니다. 이런 경우에는 코리올리 효과보다 큰 다른 효과에 의해 물의 흐름이 결정되게 되므로 교과서적인 코리올리 효과를 관찰하기 어렵습니다. 다시 말해, 코리올리 효과는 존재하되 다른 변수 때문에 그 효과에 의한 현상을 관찰하지 못하는 경우가 있다는 것입니다. 

   그러나, 만약 다른 변수에 의한 효과를 최소화한다면 코리올리 효과를 관찰하는 것이 가능할 수 있습니다. 아래 동영상은 이 실험을 직접 실행하여 고도로 변인이 통제된 상황에서는 작은 규모에서도 코리올리 효과를 관찰할 수 있다는 것을 보여줍니다. 두 동영상 중 위 동영상은 북반구의 미국 앨러배마 헌츠빌에서, 아래 동영상은 남반구의 호주 시드니에서 실험한 것입니다. [1]

   그러나, 이 실험이 완전하게 변인을 통제했는지 그리고 계속된 실험을 통해서 늘 같은 현상이 관찰된다고 확신할만한 '과학적 기준'을 충족했는지 여부는 확인하지 못하였습니다. 또한, 자연계에서 일어나는 대기의 운동이나 기상 현상과 같이 고도로 통제되지 않은 상황에서 일어나는 효과에서는 규모가 작은 경우 코리올리 효과를 관찰하기 어려우며, 이것이 대기 운동에 의미있는 영향을 주는 것을 관찰하려면 상당히 큰 규모여야 한다는 것이 널리 알려져 있다는 점에 주의해야 합니다. 

* 이 두 개의 동영상은 동시에 재생하면서 보는 것이 좋은데, 먼저 두 동영상 중 아래 동영상을 재생한 후 3분 22초에서 일시정지를 클릭하고, 그 다음 위 동영상을 재생하여 3분 22초가 되는 순간 아래 동영상의 일시정지를 풀면 동일한 욕조에서 물이 빠지면서 동시에 나타나는 현상을 볼 수 있습니다. 




   Shapiro[6]와 Binnie[7]는 각각 정밀하게 통제된 물탱크에서 발생하는 반시계 방향의 회전이 지구 자전에 기인한다는 것을 증명하였으며, Trefethen 등[4]은 이 현상이 남반구에서도 발생한다는 사실을 밝혔습니다. 다만 "정밀하게 통제된 조건"이 매우 중요한데, Naked Scientist와의 인터뷰에서 Kruszelnicki 박사는 Shapiro(1962)의 실험을 이렇게 인용하였습니다. [5]

   지름이 1.8미터이고 깊이가 15cm 정도이며 중앙에 매우 작은 배수구를 장착한 특별한 욕조를 이용한다. 여기에 물의 흐름을 확인할 수 있는 코르크를 띄운다. 이대로 하루나 이틀을 두어 물이 잠잠해지도록 하고 배수구를 연다. 그러면 물은 배수구를 통해 매우 천천히 흘러나가는데 12-15분 동안은 특별한 현상이 일어나지 않는다. 코르크가 회전하기 시작하는 것은 이 때쯤이다. 북반구라면 반시계 방향으로, 남반구라면 시계 방향으로 코르크가 회전한다. 회전은 처음에는 천천히 일어나고 나중에는 4초에 한번씩 회전한다. Shapiro는 이러한 주의 사항만 잘 지켜진다면 북반구에서는 코르크가 반시계 방향으로 회전했다고 하였다.



   다시 말씀드리지만, 주의할 것은 작은 규모에서의 코리올리 효과는 초기 조건을 고도로 통제한 상태에서 주의 사항을 잘 지켰을 경우에 관찰할 수 있다는 점입니다. 일상 생활 속에서 욕조, 변기, 싱크대에 물을 쏟을 때 관찰할 수 있는 물의 회전은 물체 표면의 특징과 초기의 물 회전 조건 등의 다른 변인의 영향을 너무 많이 받습니다. 따라서, 여러 변인의 영향을 통제하지 못한 생활 주변의 현상은 일반적으로 코리올리 효과 때문에 나타났다고 말하기 어렵다는 것입니다. 특히, 적도 근처에서는 코리올리 효과가 너무 작아서 다른 변인이나 초기 조건을 극복하고 이 효과를 관찰하기는 어렵다는 사실도 주의해야 합니다. 

   위 동영상에서 볼 수 있는 변기물의 회전은 코리올리 효과로 간주하기 쉽지 않습니다. 다만, 욕조에서 빠지는 물은 Shapiro[1]의 초기 통제 조건을 충실히 지켰다면 코리올리 효과를 관찰한 것으로 간주할 수도 있습니다. 

   처음으로 돌아가서, 그렇다면 에콰도르에서의 코리올리 효과 쇼는 어떤 것일까요? 코리올리 효과는 북반구에서 운동하는 물체의 운동 방향에 대해 오른쪽 직각 방향으로 작용하며, 남반구에서는 왼쪽 직각 방향으로 작용합니다. 따라서, 북반구에서 운동하는 물체의 운동 방향은 진행 방향의 오른쪽으로 점점 전향됩니다. 만약 저기압 주변의 기압경도력이나 욕조 배수구에 작용하는 중력처럼 이 물체를 끌어당기는 힘이 존재한다면, 북반구의 물체는 코리올리 효과에 의해 진행 방향의 오른쪽으로 점점 전향되면서 동시에 저기압 중심이나 배수구로 끌려들어가 결국 반시계 방향의 회전을 보여줍니다. 이와 달리, 남반구의 물체는 코리올리 효과에 의해 진행 방향의 왼쪽으로 전향되면서 끌려 들어가 결국 시계 방향의 회전을 보여줍니다. 

   코리올리 효과는 적도에서 0이며 그로부터 북쪽이나 남쪽으로 갈수록 증가합니다. 따라서, 에콰도르의 적도에서 몇 미터 남쪽이나 북쪽에서도 매우 작기는 하지만 코리올리 효과는 있습니다. 하지만, 그렇게 작은 코리올리 효과를 관찰하기에는 실험 상황이 전혀 통제되어 있지 않습니다. 욕조의 표면이 어느 정도의 정밀도로 가공되었는지는 알 수가 없으나, 쇼 진행자는 욕조를 아무렇게나 위치시키고 욕조에 물을 부은 다음 즉각적으로 물을 빼고 있습니다. 이렇게 통제되지 않은 상황에서 코리올리 효과를 관찰하는 것은 불가능합니다. 더구나 이 쇼에는 간단한 속임수가 있습니다. 쇼 진행자가 물을 욕조에 어떻게 붓는지 잘 관찰해보시기 바랍니다. 적도 남쪽에서 물을 부을 때는 물이 시계 방향으로 회전하도록 붓는 반면 적도 북쪽에서는 반시계 방향으로 회전하도록 붓고 있습니다. 그리고 그렇게 물을 부은 직후 물을 뺌으로써 초기의 물의 회전이 마치 코리올리 효과인 것처럼 보이도록 하고 있는 것입니다. 반면, 적도에서 물을 빼는 쇼에서는 쇼 진행자가 물을 붓는 모습을 볼 수 없습니다. 물은 욕조에 처음부터 채워져 있고 매우 안정적입니다. 그런 상태에서 물을 뺌으로써 물이 회전하지 않도록 유도하고 있는 것입니다. 쇼 진행자 또한 이것이 설명(demonstration)을 위한 것이라고 밝히고 있습니다. 하지만 이것을 실제라고 받아들이는 사람들이 적지 않아 보입니다. 

   코리올리 효과는 작은 규모이든 큰 규모이든 크기를 달리 하여 나타납니다. 그러나, 운동의 규모가 작을 경우 코리올리 효과는 초기 조건의 효과보다 일반적으로 더 작아지게 됩니다. 따라서, 작은 규모의 운동에서 고도로 통제되지 않는 조건에서는 코리올리 효과를 관찰하는 것이 사실상 불가능합니다. 따라서, 가정 내에서 욕조의 물빠짐, 세면대나 변기의 물빠짐, 그리고 심지어 에콰도르 적도의 코리올리 쇼도 모두 코리올리 효과에 의한 물의 회전을 보여주지 못합니다. 심지어 과학관이나 교육관에 설치한 푸코의 진자에서도 진동면의 회전을 관찰하기 어려운 경우가 많습니다. 진동면의 회전을 관찰할 수 있는 푸코의 진자를 설치하려면 건물의 규모가 어마어마해야 합니다. 작은 규모의 푸코 진자들은 외부에서 전기적인 동력으로 인위적으로 진동면을 회전시키는 경우가 있으며, 그것은 지구의 자전 효과와는 관계가 없음에 주의해야 합니다.  


참고문헌
[1] Grenoble, R. (2015). 정말 북반구와 남반구의 변기 물은 다른 방향으로 돌까?, The Huffington Post, 2015년 06월 05일 10시 20분 KST, [링크}
[2] Veritasium, [링크]
[3] SmarterEveryDay, [링크]
[4] Trefethen, L. M., Bilger, R. W., Fink, P. T., Luxton, R. E., and Tanner, R. I. (1965). The Bath-Tub Vortex in the Southern Hemisphere, Nature 207, 1084-1085 (04 September 1965), http://www.nature.com/nature/journal/v207/n5001/abs/2071084a0.html
[5] Can You Detect The Coriolis Effect in your Sink?, Science Interview: Dr Karl Kruszelnicki, University of Sydney, Australia, Naked Scientists, http://www.thenakedscientists.com/HTML/interviews/interview/470/

간접 참고문헌 - 해당 문헌을 직접 참고하지 않았으나 위에 열거된 문헌이 인용한 핵심 문헌
[6] Shapiro, A. H. (1962). Bath-tub Vortex, Nature, 196, 1080, [링크]
[7] Binnie, A. M. (1964). Some Experiments on Bath-Tub Vortex, J. Mech. Eng. Sci., 6, 256. 


개정 사항
1판, 2015년 6월 5일, 초고
2판, 2017년 3월 23일, 내용 추가




조영우

demishrain@gmail.com

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이 글의 인용 형태 (예시)
조영우 (2015). "변기에서도 코리올리 효과가 나타날까요?", 푸른행성의과학, 2015년 6월 5일, http://skyobserver.net/380854 (열람일: 2015-10-11)




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