이 실험 소개
마찰이 없는 회전목마 위에서 퍽을 미끄러뜨려 보세요. 위에서 보면 퍽은 완벽하게 직선으로 움직이지만, 그 아래에서 원판이 회전하기 때문에 원판에 탄 사람에게는 퍽이 겨냥한 곳에서 벗어나 휘어지는 것처럼 보입니다. 지구도 거대한 회전 원판입니다. 멀리 이동하는 바람과 해류는 북반구에서는 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 휘어집니다. 같은 투척을 두 가지 관점에서 비교한 다음, 지구로 이동해 위도에 따라 공기를 밀었을 때 얼마나 휘는지 살펴보세요.
학습 목표
- 코리올리 효과는 회전하는 기준 좌표계에서 관찰되는 겉보기 편향임을 설명하기
- 북반구와 남반구에서 편향되는 방향을 예측하세요
- 극지방 근처에서 효과가 가장 강하고 적도에서는 나타나지 않는 이유를 설명하세요
- 코리올리 매개변수 f = 2Ω sin φ를 사용해 관성원의 크기를 추정하세요
- 코리올리 효과를 대형 폭풍의 회전 및 전 지구적 바람띠와 연관 지어 설명하세요
사용 방법
- 1기본 설정으로 던지기를 누르세요. 두 뷰에서 경로를 비교하세요. 어느 쪽이 직선인가요?
- 2바깥쪽 뷰에서 점선 조준선을 살펴보세요. 퍽이 가장자리에 도달할 때 표적은 어디에 있나요?
- 3회전 속도를 두 배로 높인 다음 던지는 속도를 절반으로 줄이세요. 어떤 변화가 퍽을 조준 지점보다 더 멀리 떨어지게 하나요?
- 4시계 방향 회전을 켜세요. 이제 탑승자에게 퍽은 어느 쪽으로 휘어 보이나요?
- 5지구 위로 전환하세요. 북위 45°에서 공기를 밀고 한 바퀴 도는 동안 관찰하세요. 그런 다음 10°, 0°, -45°에서도 해 보세요.
- 6북위 45°에서 풍속을 두 배로 높이세요. 원의 크기와 한 바퀴 도는 데 걸리는 시간은 어떻게 되나요?
모델
가정
- 퍽은 마찰 없이 미끄러지며 튀어 오르지 않습니다. 테두리에 도달하면 원반을 벗어납니다.
- 던지는 사람은 원반과 함께 움직이므로, 퍽은 던져진 지점의 옆 방향 속력을 지닌 채 출발합니다.
- 지구에서는 공기가 한 번 밀린 뒤 압력 차이나 마찰 또는 다른 힘을 받지 않으므로, 한 위도 주변의 작고 평평한 영역에서 관성원 운동을 합니다.
- 원 전체에 걸친 위도에 따른 f의 변화는 무시하고, 회전에 따른 원심 효과는 중력의 일부로 간주합니다.
수업에서 해 보기
- Q1원반 위의 사람에게는 퍽이 옆으로 미는 힘을 받는 것처럼 보이는데, 위에서 지켜보는 사람에게는 옆 방향으로 아무 힘도 작용하지 않는 것처럼 보이는 이유는 무엇일까요?
- Q2코리올리 효과는 움직이는 공기를 오른쪽으로 휘게 하는데, 북반구의 허리케인은 왜 시계 반대 방향으로 회전하나요?
- Q3허리케인은 왜 적도에서 약 5° 이내에서는 거의 발생하지 않나요?
- Q4싱크대의 폭은 약 0.5 m이고 물이 빠지는 데 20초가 걸립니다. f = 2Ω sin φ를 사용해 코리올리 효과가 배수 방향을 결정하지 않는 이유를 설명하세요.
- Q5장거리 포병과 미사일은 코리올리 효과를 고려해야 하지만, 축구공은 그럴 필요가 없습니다. 왜 그럴까요?
자주 묻는 질문
코리올리 힘은 실제로 존재하는 힘인가요?
코리올리 힘은 가상력 또는 관성력이라고 불립니다. 퍽을 옆으로 미는 것은 아무것도 없습니다. 원반이나 지구와 같은 회전 좌표계에서 운동을 설명할 때만 나타나며, 그 좌표계에서 운동 법칙이 성립하도록 하는 데 필요합니다.
코리올리 효과 때문에 각 반구에서 변기 물이 서로 반대 방향으로 빠지나요?
아니요. 싱크대나 변기 속 물에 작용하는 코리올리 가속도는 그릇의 모양이나 물을 붓는 방식 같은 다른 요인보다 수백만 배 작습니다. 날씨 시스템이나 해류처럼 먼 거리를 이동하거나 오랜 시간 동안 움직일 때만 의미가 있습니다.
편향은 왜 위도에 따라 달라지나요?
지구 자전 중 국소 수직축을 중심으로 한 성분만 수평 운동의 방향을 바꿉니다. 극에서는 지표면이 수직축을 중심으로 완전히 회전하지만, 적도에서는 수직축을 중심으로 전혀 회전하지 않습니다. 따라서 f = 2Ω sin φ는 최댓값에서 0까지 변합니다.