0. 목차
- 코리올리 힘
- 푸코의 진자
1. 코리올리 힘
1-1. 회전하는 원반 위에서 굴러가는 공
회전하는 원반의 중심으로부터 목표점을 향해 공을 굴렸다고 생각해 보자. 원반의 바깥에서 봤을 때 공은 원반 위를 지나가면서, 원반이 회전하는 영향을 받지 않으려고 한다. 원반의 바깥에서 봤을 때, 공은 똑바로 나아가지만 그동안 원반과 그 위의 목표점은 회전한다. 하지만 원반 위에 서서 보면, 공의 진행 방향이 휘어져, 마치 움직이는 공에 어떤 힘이 작용하는 것처럼 보인다.
이처럼 회전체 위에서 운동하는 물체에 작용하는 겉보기 힘을 '코리올리 힘(Coriolis Force)'라고 한다. 이 현상을 수학적으로 최초로 설명한 사람은 프랑스의 물리학자 '가스파르-귀스타브 코리올리(Gaspard-Gustave Coriolis, 1792~1832)'이다. 아래의 그림처럼 원반이 시계 반대 방향으로 회전하는 경우, 오른쪽 방향으로 작용한다. 반대로 시계 방향으로 회전하는 경우, 왼쪽 방향으로 작용한다.
1-2. 지구의 자전
지구의 자전에서도 이와 같은 일이 일어난다. 다만, 지구상에서 코리올리 힘은 극 지역에서 크고, 위도가 내려감에 따라 작아진다. 그 이유는 위도에 따라 지면의 회전 속도가 달라서, '지면에 수직으로 선 축의 회전 속도'가 달라지기 때문이다.
코리올리 힘은 물체가 운동하는 시간이나 거리가 클수록 그 효과가 나타난다. 하지만 실제 지구상에서 공의 이동은 순식간에 끝나기 때문에 코리올리힘은 전혀 느낄 수 없다. 하지만 천천히 움직이는 바다와 대기의 순환에서는 코리올리 힘이 매우 중요하다.
2. 푸코의 진자
지구는 하루에 1회 자전한다. 그런데 어떻게 해야 지구가 자전하고 있다는 사실을 확인할 수 있을까? 1851년 당시, 많은 사람들이 지구의 자전을 믿고 있었지만, 그 명확한 증거는 확보되지 않았다. 그래서 프랑스의 과학자 '레옹 푸코(Leon Foucault, 1819~1868)'는 '거대한 진자(푸코의 진자)'를 사용해 실험을 했다. 그는 진자의 방향이 코리올리 힘에 의해 회전하는 것을 실험을 통해 보임으로써 지구가 자전하고 있음을 확인했다.
'레옹 푸코(Leon Foucault)'는 파리의 '판테온(Pantheon)' 사원에서 천장으로부터 내려진 길이 67m의 철사에 무게 28kg의 추를 매단 거대한 진자를 준비해 사람들 앞에서 흔드는 실험을 했다. 이 실험은 지구의 자전을 증명한 것이었고, 이 업적으로 '레옹 푸코'는 당시의 노벨상이라고 할 수 있는 '코플리 메달(Copley Medal)'을 수여받았다.
2-1. 진자는 저절로 회전했다.
진자를 계속 흔들었더니 놀랍게도 흔들리는 방향이 서서히 시계 방향으로 어긋났다. 일반적으로 생각하면, 진자에는 방향을 회전시키는 힘이 걸리지 않으므로, 시간이 지나도 방향이 바뀔 리가 없을 것 같다. 그런데 진자는 어떻게 방향이 바뀌었을까?
사실 진자가 회전한 것이 아니라, 진자를 관찰하던 사람들이 지면과 함께 회전한 것이다. 일정한 방향으로 흔들려야 할 진자가 회전하는 것처럼 보이는 현상, 즉 코리올리 힘이 작용하는 현상은 지구가 자전하고 있다는 증거였다.
2-2. '어긋남의 크기'와 위도
- 북극에 진자가 있는 경우: 관측자는 하루에 360° 회전하므로, 진자의 방향은 하루에 360° 시계 방향으로 어긋나는 것처럼 보인다.
- 남극에 진자가 있는 경우: 북극에 진자가 있는 경우와 어긋나는 속도는 같지만, 진자의 방향은 하루에 시계 반대 방향으로 어긋나는 것처럼 보인다.
- 적도에 진자가 있는 경우: 관측자는 적도 위를 움직일 뿐 방향 자체는 회전하지 않는다. (지면에 수직인 축에서는 회전하지 않는다) 그래서 진자는 회전하는 것으로 보이지 않는다.
- 중간 위도에 진자가 있는 경우: 관측자의 방향은 북극이나 남극에 있는 경우보다 작게 바뀌기 때문에 진자가 어긋나는 크기도 작아진다. 하루 만에 진자가 어긋나는 각도는 위도에 따라 바뀌며, 고위도일수록 크다.
그러면 위도에 따라 얼마나 어긋나게 될까? 북극에서는 1시간에 '15°(360°÷24시간)' 어긋나고, 적도에서는 전혀 어긋나지 않는다. 또 각각의 위도에서 한 시간 동안 어긋나는 각도는 '360° × sin(위도) ÷ 24시간'라는 식으로 계산할 수 있다. 예컨대 북위 30°에서는 '360° × sin30° ÷ 24시간 = 7.5°'이므로, 한 시간에 7.5° 어긋나게 된다.