1. 개요
전향력(轉向力)은 회전체의 표면 위에서 운동하는 물체에 대하여 운동 속도 방향에 수직으로 작용하는 가상의 힘을 말한다.
코리올리 효과(Coriolis Effect), 코리올리 힘이라고도 하며, 1835년 프랑스 과학자 가스파르-귀스타브 코리올리(Gaspard-Gustave Coriolis)[1]가 처음 제창하였다.
최대한 쉽게 정리하면 다음과 같은 명제들로 정리할 수 있다. 공간(좌표계) 자체가 회전하면서 내부의 물체(좌표)도 함께 이동하고 있을 때, 그 공간(좌표계) 내부의 관측자는 공간(좌표계)의 회전을 인지하지 못하고, 공간 내부의 물체(좌표)가 공간 내에서 다른 힘을 받아서 변한다고 관측을 하는 현상이다. 이때 물체의 좌표는 움직이는 좌표계 내부에선 그대로지만, 움직이는 좌표계 밖의 좌표계에선 변한다.
예를 들자면 지구의 공전/자전이 있다. 지구가 공전/자전하면서 지구 내부에 있는 사람들도 함께 움직인다. 그러나 사람들은 자신의 이동을 인지하지 못하기 때문에 자신과 주변 모든 것들이 가만히 있다고 착각한다. 이들의 위치는 지구 내부에서 보면 그대로이지만, 우주에서 보면 변하고 있다.
2. 이론적 설명
사실 지구에서의 전향력의 작용 메커니즘은 이 영상과는 약간 다르지만 직관적 이해를 돕기 위해 참고해 보도록 하자.
지구는 정확히는 회전타원체이지만 일단은 둥근 구형이며, 매일 자전을 하고 있다. 이때 이 '구'와 '자전'이라는 특징 때문에 위도에 따라 지구상 물질의 회전 속력이 달라지게 된다.
예를 들어 비슷한 경도상 위치한 대한민국에 서 있는 사람과 적도부근에 위치한 인도네시아의 말루쿠 해역에 서 있는 사람은 자전에 의한 회전 속력이 다르다. 왜냐면 동일한 시간 동안 다른 면적을 돌기 때문이다. 간단한 물리 식으로 설명하자면 속력은 거리/시간이다. 즉, 대한민국과 말루쿠 해의 자전시간은 동일하므로 거리가 큰 쪽이 속력도 빠르다, 따라서 말루쿠 해역의 사람이 더 빠른 자전속력을 갖게된다.
만약 말루쿠 해역에 있는 사람이 전향력을 고려하지 않고 서울을 겨냥해 그대로 직진하는 미사일을 쏘는 경우 전향력 이외에 공기 저항이나 바람 등의 요소가 없다고 가정할 때 북반구에서는 우편향되므로 결과는 대략적으로 동해 상에 떨어지게 될 것이다. 말루쿠에 있을 때 미사일의 자전 속력을 V0 이라고 한다면 이 미사일은 관성의 법칙에 의하여 위쪽으로 쏘아지면서도 V0의 속력을 유지하려고 할 것이다. 쉽게 말해 ××시간당 ××면적을 자전하려고 할 것이다. 따라서 동해상에 떨어진다는 것은 적도부근에 위치했을 때와 비슷한 면적을 한국의 위도상에서 자전하려 한 것이다.
그러나 이 현상은 범지구적 현상이므로 전향력을 알아보기 위해 영상에 나온 것처럼 북쪽으로 공을 던진다 하더라도 그 영향력은 '아주' 미미하므로 체감하기 힘들다. 혹여나 우측 편향이 되었다 하더라도 바람 때문일 확률이 높다.
| \displaystyle 2 \Omega v \sin \varphi + 2 \Omega v \cos \varphi</math>[2] |
회전좌표계를 미분해서 가속도를 나타내면 아래와 같이 나온다.
| \displaystyle a=a'+\frac{dw}{dt}\times{r'}+2w\times{v'}+w\times{(w\times{r'})}+A_0</math>[3] |
여기서 우변의 첫째 항은 회전좌표계에서의 물체 가속도, 둘째 항은 가로 가속도, 셋째 항은 코리올리 가속도, 넷째 항은 원심 가속도, 다섯째 항은 회전 좌표계 원점의 가속도를 뜻한다. 전향력은 셋째 항인 코리올리 가속도를 발생시키며, 그 크기는 공식과 들어맞는다.
3. 적용
3.1. 기상 현상
전체적인 관점으로 볼 때 기상현상의 규모는 크게 미규모, 중간규모, 종관규모, 지구규모로 나눌 수 있다. 대체로 이들의 수평규모와 시간규모는 비례한다. 일반적으로 태풍, 고기압, 저기압이 해당되는 종관 규모나 계절풍, 대기대순환, 편서풍 파동 등이 해당되는 지구 규모에서 전향력의 효과를 고려한다. 지구와 같은 구 표면에선 이 효과로 인해 표면과의 마찰이 적은 물체의 운동이 힘을 받고 있다는 걸 까먹고 있는 표면상의 관측자에게 운동 방향이 반구마다 특정 방향으로 휘는 것으로 나타난다. 서에서 동(반시계방향)으로 도는 지구 표면 관점에서 보면 북반구에선 오른쪽으로, 남반구에선 왼쪽으로 힘을 받는 것처럼 휜다. 고기압이나 저기압부터 시작해서 바람의 방향(기온이라는 변수가 추가적으로 작용), 적도 용승 등 기상 현상에 결정적인 영향을 끼치는 요소이기도 하다.- 기류
북반구에서 저기압의 상승기류가 반시계 방향으로, 고기압의 하강기류가 시계 방향으로 회전하게 된다. 우리가 매년 여름마다 겪는 태풍도 북반구의 저기압 기류 중 하나이므로 당연히 반시계 방향으로 회전을 한다. 이게 북쪽으로 향하는 태풍의 진행 방향과 맞물려서 태풍의 진행 방향 기준 오른쪽 부분은 태풍의 이동 속도와 회전 속도가 합쳐진 속도로 바람이 불게 되고 반대로 태풍의 왼쪽 방향은 태풍의 이동 속도와 회전 속도가 서로 상쇄되어서 바람이 다소 약해지게 되는데, 이게 바로 태풍의 위험반원·안전반원을 만드는 원인이다. 남반구에서는 이 방향이 반대이므로 남반구의 열대성 저기압인 윌리윌리와 같은 것은 시계 방향으로 회전하는 것을 볼 수 있다.
- 해류의 흐름에도 '에크만 수송'이라고 불리는 효과를 준다. 해류의 흐름에는 수온과 해수면에서 부는 바람이 큰 영향을 미치는데, 지구의 자전에 의해 이 두 요인이 주는 힘의 방향이 차이 나게 되며, 이는 위도에 따라 달라진다.
3.2. 군사
직접 사격, 간접 사격을 모두 포함하여 장거리 사격을 하는 군사무기에서도 매우 중요한데, 무유도 다연장로켓, 곡사포 및 평사포, 전차포 등의 화포와 같이 사거리가 수km를 넘어가는 모든 비유도 무기[4]에는 조준할 때 코리올리 효과를 고려해서 조준점을 보정한다. 저격소총의 탄환부터 대구경 비유도 로켓까지 모두다. 이거 고려 안하고 그냥 쏴버리면 의도한 지점에서 오른쪽으로 틀어져서 착탄한다. 사격통제장치가 있는 무기들의 경우 사격통제 컴퓨터가 이를 고려해서 탄도를 계산해주기도 한다.《콜 오브 듀티 4: 모던 워페어》의 자카예프 저격 미션에서 맥밀란 대위가 당시에는 중위였던 프라이스 대위에게 먼 거리에 있는 이므란 자카에프를 저격할때 이 정도 거리면 전향력도 고려해야 된다고 말한다. 물론 얘기만 그런거고, 플레이어는 바람의 방향 정도만 신경쓰면 된다. 막상 쏘면 어느 위치든 상관없이 팔만 무조건 맞게 된다.
3.3. 회전 놀이기구
놀이터의 놀이기구 중 하나인 회전무대를 이용하면 간접적으로 확인할 수 있다. 기구에 탄 사람이 중앙을 향해 공을 굴리는 상황에서 외부 관찰자와 내부 관찰자의 차이를 통해 볼 수 있다. 내부 관찰자는 공이 휘어 움직이는 것으로 보이지만(전향력 작용), 외부 관찰자는 직선으로 움직이는 것을 볼 수 있다.4. 기타
- 《강철신 지그》에서도 잠깐 언급된다.
- 한때는 변기나 세면대 물이 내려갈 때에도 전향력이 적용되어 물의 방향이 달라진다는 인식이 흔했다.[5] 현재는 '이런 작은 규모'에선 전향력의 작용을 관찰하기 어렵다는 것으로 결론지어졌다. 이런 경우에 물의 방향을 결정하는 것은 변기나 세면대의 디자인이 더 중요한 요인일 가능성이 높으며, 그 밖의 작은 요인들도 전향력보다는 더 크게 작용하기 때문에 특히나 육안으로 효과를 관찰하는 것은 힘들다. 이것은 이 코리올리 효과에 관한 관광상품도 있는 에콰도르에서도 해명하는 사항이다.
- 포도주를 마실 때, 잔을 돌리면서 공기 접촉을 유발하는데 이 때 전향력이 작용한다며 지구 자전 방향으로 돌려야한다는 속설
헛소리이 돌아다닌다.
- 중화권에서는 科氏力(커스리, kēshìlì)라 읽는다. 이는 '코리올리 힘'의 음차인 科里奥利力(커리아오리리, kēlĭàolìlì)을 줄인 표현이다. 풍색환상 3편 및 4편의 愛斯零(아이스링)은 科氏力狙擊이란 이름의 장거리 저격 기술을 지니고 있다. 풍색환상 4편에서 幽彌(유미)의 雙雁射(쌍안사)와 협력 공격 時間差狙擊(시간차저격)을 사용할 수 있다.
- 신기한 스쿨버스의 넷플릭스판 스페셜 에피소드인 <프리즐 선생님이 셋?>에선 흩어진 반아이들이 열기구를 타고 기류를 이용해 앨버커키에서 만나기로 했지만 코리올리 효과 때문에 일이 크게 꼬여버린다. 그뒤 아놀드의 활약으로 일이 어느 정도 수습된다.
- 가수 윤하의 7집 앨범 GROWTH THEORY에 수록되어있는 노래 중 하나가 코리올리 힘이다. 윤하는 천문학과 지구과학을 곡에 자주 접목하는 것으로 유명한데, 사건의 지평선, 오르트 구름, 같은 앨범과 리패키지 앨범에 수록된 로켓방정식의 저주, 포인트 니모, 퀘이사 등 여러 곡들이 과학에서 영감을 받았다.