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찬공기에서 구름이 형성되는 것은 찬공기가 따뜻한 공기에 비해 수증기가 적기 때문인가? 욕조에서 물이 빠질 때 북반구와 남반구의 회전방향이 다른 것은 코리올리 힘 때문인가? 우리들은 알게 모르게 일상생활 속에서 만나는 사물이나 현상에 대해 나름대로의 과학적 지식을 동원해 해석하고 있다. 이번에 소개하는 '잘못 알려진 과학'(http://www.ems.psu.edu/~fraser/BadScience.html)사이트는 우리가 당연하게 여기고 있지만, 사실은 잘못 알고 있는 여러 과학분야의 오류들을 지적하고 올바른 원리를 제공하는 곳이다. 이미 많은 매체를 통해 소개된 이 사이트에는 2백 이상의 웹페이지들이 연결돼 있다. 이 곳의 기상 관련 사이트 중 '잘못 알려진 코리올리 효과'(http://www.ems.psu.edu/~fraser/Bad/BadCoriolis.html)를 살펴본다.
코리올리 힘은 대형 회오리의 원인이다.
코리올리 힘은 허리케인이나 중위도에서 발생하는 대형 폭풍의 중심부 저기압 주위를 공기가 회전하는 원인이다.
실제로 ‘cyclonic’(회오리바람)이란 단어는 ‘지구의 자전과 같은 방향으로 유체(공기나 물)가 움직인다(회전한다)’는 뜻이기도 하고, ‘지구의 자전 때문에 유체가 회전한다’는 뜻이기도 하다.
이런 까닭에 허리케인 주변의 공기는 지구의 경우와 마찬가지로 북반구에서는 반시계방향으로, 남반구에서는 시계방향으로 흐른다. 남·북반구 모두에서 이 회전을 회오리바람으로 간주한다.
만약 지구가 자전하지 않는다면 공기는 중심부 저기압 쪽으로 직진할 것이다. 그러나 지구의 회전으로 인해 발생한 코리올리 힘은 공기가 빗겨 흐르도록 함으로써, 결국 중심부 저기압 쪽으로 회전하도록 한다.
그러나 실제로 코리올리 힘은 아주 약하다.
우리가 늘상 접하는 다양한 회전들(주행중인 자동차의 바퀴, 노래가 흘러나오는 음악CD, 물이 빠지고 있는 배수구)과 비교해보면 지구 회전은 아주 미약하며 하루에 단 한 바퀴 돌뿐이다. 반대로 배수구의 물은 몇 초만에 한번 회전을 하므로, 지구에 비해 약 1만배 정도의 회전율을 가지고 있다.
따라서 코리올리 힘이 우리의 일상과 관련된 거의 모든 힘들보다도 미약하다는 것은 별로 놀랄만한 일이 아니다. CD의 회전에 코리올리 힘이 별 영향을 주지 않듯이, 배수구의 물빠짐 방향을 결정하는데도 전혀 영향을 끼치지 않는다.
싱크대에서 물이 빠질 때의 회전방향은 물이 채워진 방향이나, 세척시 생기는 와류에 의해 결정된다. 이들 회전력의 크기는 매우 작을 수 있으나 지구 회전에 비한다면 엄청나게 큰 것이다.
나는 (이 웹페이지에) 배수대에서 물이 빠지는 사진을 넣기로 하고, 일단 집에서 시도해 보니, 북반구에서는 반시계방향으로 회전한다는 순진한 사람들의 주장과는 달리 시계방향으로 회전하면서 물이 빠지는 것을 알 수 있었다. 이 방향은 전적으로 배수구를 막고 있는 마개의 방향에 의해 결정됐다. 양변기의 배수시 회전방향은 물이 뿜어나올 때 양변기에 고인 물의 방향에 의해 결정된다.
싱크대에서의 배수를 통해 지구의 자전을 감지할 수 있을까?
가능하다. 하지만 이는 매우 어려운 작업이다. 코리올리 힘은 아주 작기 때문에 이를 측정하려면 특별한 노력이 필요하다. 하지만 이미 측정이 행해졌다. 일반적인 싱크대는 측정의 필요조건인 원형대칭의 아니어서 사용할 수 없다. 달걀모양을 하고 있는 싱크대는 중심이 맞지 않게 배수될 때 미심쩍은 결과를 내놓는다. 측정에 성공한 사람들은 중심에 작은 구멍을 뚫어놓은, 지름 1m 정도의 매끈한 물통를 사용했다. 물이 가득 채워질 동안 마개(불필요한 움직임이 생기지 않도록 아래로부터 제거하도록 되어있는)로 구멍을 막는다. 물이 채워지는 동안 생긴 움직임이 잠잠해질 때까지 기다린다. 그런 후에 마개를(아래쪽에서) 제거한다. 구멍이 작기 때문에 아주 천천히 물이 빠진다. 이러한 과정이 필요한 이유는 코리올리 힘이 배수중인 물의 흐름을 변화시킬 정도로 충분해져서 회전하는 흐름을 만들어내기까지 몇 시간이 걸리기 때문이다. 이러한 과정을 통해 회전이 곧 회오리바람이라는 것을 알 수 있다.
교사들은 왜 배수구에서 물빠지는 현상이 지구 자전의 효과를 반영한다고 주장할까
내 수업을 듣는 수많은 학생들이 고등학교 때 선생님으로부터 지구 자전 때문에 북·남반구의 물빠짐 방향이 다르다는 가르침을 받았다고 말했다. 교사들이 단지 채점하기 쉽다는 이유로 그런 잘못된 사실을 가르치는 이유는 무엇일까? (굳이 집에 가지 않더라도) 학교 세면대에만 가보아도 양방향 모두로 배수된다는 사실을 알 수 있을 것이다.
지식이란 매일의 경험과 관련된 것들에 의지하지 않은 채, 단지 암기하면 그만인 추상적인 개념들의 묶음인가? 어째서 교사들이 이런 가르침을 계속하는지 안타깝다. 나는 그런 교사들은 자신의 잘못도, 생각도 고칠 필요를 결코 느끼지 않고 있다고 생각한다.
탁월한 속임수
케냐의 난투키 마을에서 관광객들을 속이는 엉터리 실험이 있다. 이 작은 마을은 적도 바로 위에 위치해 있는데, 이 지역 사기꾼들은 버스를 타고 온 관광객들을 대상으로 지구 자전의 결과로 물통에서 물이 빠질 때 북반구에서는 시계방향으로 남반구에서는 반시계방향으로 회전한다는 것을 그럴듯하게 실험하고 돈을 번다. 이 사람의 속임수는 PBS(미국의 공영방송)에서 종종 방송되는 마이크 팰린의 TV특집프로인 ‘극에서 극까지’에서 꼬리가 잡혔다.
속임수 직접 해보기
사기꾼의 마음에 따라 배수시 방향을 바꾸는 속임수에는 두 가지 단서가 있다.
1. 원형이 아닌 물통
원형이 아닌 물통을 이용하면 사기꾼이 쉽게 회전을 만들 수 있다. 물통에 물을 조심스럽게 채워 초기상태에는 아무런 회전이 없었다고 상상해보자. 누군가가 청중들에게 물이 배수되는 동안 회전을 보여주려고 한다면 어떻게 할까? 만약 물통이 원형이라면 이를 돌려서 물의 회전을 만들기는 어려울 것이다. 하지만 물통이 사각형에 가깝다면 물통이 움직이는 대로 회전할 것이다.
2. 청중들의 관심 돌리기
하지만 청중들의 의심을 사지 않고 어떻게 물통을 움직일 수 있을까? 분명히 이런 행동들은 청중들이 느끼기에 속임수가 아니라 좀 더 잘 보여주려고 하는 예의로 느껴지도록 행해져야 한다.
교사들이 학생들에게 가르쳐야 할 것은
싱크대나 변기의 물이 빠져나갈 때의 회전방향은 지구 자전에 의한 것이 아니라, 물이 채워지면서 생기는 회전이나 교란(세척이라고 부르는)에 의한 것이다. 지구 자전은 대규모의 기상현상이나 대양에서 발생하는 큰 회오리바람에게 영향을 끼친다. 왜냐하면 이것들은 오래 지속되는 현상이기 때문에 아주 약한 코리올리 힘이라 할지라도 시간이 흐르면서 현저한 효과를 발생시킬 수 있기 때문이다.
The Coriolis force does cause big vorticies.
On the scale of hurricanes and large mid-latitude storms, the Coriolis force causes the air to rotate around a low pressure center in a cyclonic direction. Indeed, the term cyclonic not only means that the fluid (air or water) rotates in the same direction as the underlying earth, but also that the rotation of the fluid is due to the rotation of the earth. Thus, the air flowing around a hurricane spins counter-clockwise in the northern hemisphere, and clockwise in the southern hemisphere (as does the earth, itself). In both hemispheres, this rotation is deemed cyclonic. If the earth did not rotate, the air would flow directly in towards the low pressure center, but on a spinning earth, the Coriolis force causes that air to be deviated with the result that it travels around the low pressure center.
But, the Coriolis force is very small, indeed.
Compared to the rotations that one usually sees (tires on a travelling automobile, a compact disc playing music, or a draining sink), the rotation of the earth is very small: only one rotation per day. The water in a sink might make a rotation in a few seconds and so have a rotation rate ten thousand times higher than that of the earth. It should not be surprising, therefore, to learn that the Coriolis force is orders of magnitude smaller than any of the forces involved in these everyday spinning things. The Coriolis force is so small, that it plays no role in determining the direction of rotation of a draining sink anymore than it does the direction of a spinning CD.
The direction of rotation of a draining sink is determined by the way it was filled, or by vortices introduced while washing. The magnitude of these rotations may be small, but they are nevertheless gargantuan by comparison to the rotation of the earth. I decided to include a picture of a draining sink, and the first one I tried in my house was found to drain clockwise (the opposite of what the silly assertions would have it do here in the northern hemisphere). This direction was determined entirely by the way the tap filled the sink. The direction of rotation of a draining toilet is determined by the way the water just under the rim is squirted into the bowl when it is flushed.
Is it possible to detect the earth’s rotation in a draining sink?
Yes, but it is very difficult. Because the Coriolis force is so small, one must go to extraordinary lengths to detect it. But, it has been done. You cannot use an ordinary sink for it lacks the requisite circular symmetry: its oval shape and off-center drain render any results suspect. Those who have succeeded, used a smooth pan of about one meter in diameter with a very small hole in the center. A stopper (which could be removed from below so as to not introduce any spurious motion) blocked the hole while the pan was being filled with water. The water was then allowed to sit undisturbed for perhaps a weak to let all of the motion die out which was introduced during filling. Then, the stopper was removed (from below). Because the hole was very small, the pan drained slowly indeed. This was necessary, because it takes hours before the tiny Coriolis force could develop sufficient deviation in the draining water for it to produce a circular flow. With these procedures, it was found that the rotation was always cyclonic.
Why do teachers claim that a draining sink reflects the rotation of the earth?
A surprisingly large number of my undergraduate students tell me that their high-school teachers told them that sinks drain in opposite directions in the two hemispheres owing to the rotation of the earth. Why would a teacher offer such garbage to students when it is so easy to check. A trip to the school washroom (let alone the ones at home) will reveal drainage in both directions. Is knowledge just a bunch of abstractions to be memorized with no recourse to the relevance of everyday experience? Sigh… I don’t know why teachers do this. I can but assume that those who do so just never feel any need to wash their hands --- or their minds.
Fakery of the first water
There are charlatans operating at a tourist trap in Nantuki, Kenya. In this little town, located right on the equator, a local mountebank works for tips as he glibly cons busloads of tourists into believing that the rotation of the earth causes water draining from a container to spin clockwise in the northern hemisphere and counter-clockwise in the southern hemisphere. This man’s nonsense was captured (and endorsed) by Michael Palin in one episode of his TV special, From Pole to Pole, which is often aired on PBS.
Do-it-yourself fakery
There are two clues to the successful fakery of the drainage changing direction at the whim of the mountebank.
1. Non-circular pan
The non-circular pan allows the faker to easily introduce rotation into the pan after he begins. Let us imagine that the pan is filled very carefully so that there is no rotation initially. Indeed, one wants to be able to show the audience that any rotation introduced while filling has died out. Now what? If the pan were circular, it would be harder to start the water spinning by turning the pan itself, but by having the pan nearly square, the water must turn if the pan does.
2. Turn to face the audience
But how does one turn the pan without the audience becoming suspicious. Obviously, it must be done in such a way that the audience does not attribute the action to part of the fakery, but to a courtesy which enables them to see better.
What do you tell your students.
The direction of rotation in draining sinks and toilets is NOT determined by the rotation of the earth, but by rotation that was introduced earlier when it was being filled or subsequently being disturbed (say by washing). The rotation of the earth does influence the direction of rotation of large weather systems and large vorticies in the oceans, for these are very long-lived phenomena and so allow the very weak Coriolis force to produce a significant effect, with time.
