욕조에 물이 어떻게 빠질까란 이야기를 이전에 한 적이 있다. 바로 코리올리의 힘을 설명하면서 이야기했었다.
코리올리의 힘은 움직이는 물체에 작용하는 매우 작은 힘으로 실질적으로 스스로 물을 회전하게 만들지는 못한다. 그래서 위의 링크에 그에 관련된 글을 작성하면서 어떻게 회전하는지에 대한 얼개를 작어놨었다.
그런데 많은 분들이 이에 대해서 반박을 하시고, 실질적으로 나도 예외적인 상황이 있다는 것을 알고 있기에 그에 대해서 이 글에서 언급하려고 한다. 이 글은 위의 글을 읽어본 뒤에 읽지 않으면 읽는 가치가 없을 것이다.
국소적인 유체의 흐름 속에 나타나는 회전 : 욕조의 물빠짐과 토네이도
1. 욕조의 물빠짐
욕조에서는 아니고 깊이 파인 형태로 만들어진 개수대의 경우에 물의 회전이 반대가 되는 경우가 있었다. 동영상을 직접 보기 바란다.
속초에서 찍은 영상 : 공기방울의 움직임을 보면 시계방향으로 회전한다.하지만 이런 현상은 일상적인 모습은 아니다.
일상적으로 찍은 동영상들은 회전방향이 무조건 반시계방향이다. 아무래도 위와 같이 시계방향으로 도는 모습은 배수관과 배수통의 영향이 있는 것이 아닐까 생각된다.
청계천에서 찍은 영상 : 물은 반시계 방향으로 회전한다.
2. 토네이도
토네이도 또는 용오름은 매우 좁은 영역에서 강한 상승기류가 발생하여 강한 바람이 발생하는 현상을 말한다. 용오름 현상이 발생할 때는 물 속에 사는 물고기가 딸려 올라가기도 하며, 토네이도는 종종 목조 건물을 통째로 들어올리기도 한다. (『오즈의 마법사』) 토네이도나 용오름의 크기는 최대 1km의 폭을 갖는 정도다.
그런데 토네이도의 공기의 움직임은 오직 한 가지 모습을 갖는다. 미국, 중국 등지에서 발생하는 토네이도는 반시계방향의 회전을 갖는다. 물론 남반구인 아르헨티나나 호주에서 발생하는 토네이도는 시계방향으로 회전한다.
만약 "욕조의 물빠짐에 전향력이 구심력으로 작용할 수 없어요." 라고 말하고 싶다면 토네이도가 항상 일정하게 발생하는 모습을 설명할 새로운 이론을 들고 나와야 한다. 이 이론은 두 가지를 설명해야 하는데, 바람의 회전을 일으키는 구심력은 어떤 힘이며, 한 방향으로 회전시키는 기본 원리는 무엇이냐 하는 문제다.
전향력의 영향을 애써 무시하는 사람들이 국지적이기 때문에 움직임을 설명할 수 없다고 이야기하는 경우가 많은데 그렇다면 마찬가지로 토네이도도 설명할 수 없다.
일반적으로 물이 욕조에서 빠질 때 랜덤하게 방향이 결정되는 경우는 무조건 없다. 만약 그렇다면 물의 회전방향이 강해질 수가 전혀 없다. 한 쪽으로의 회전이 발생했다가도 곧 반대방향으로의 회전력이 작용하면 생겼던 회전이 사라지기 때문이다. 확률적으로 어느 한 쪽으로 작용할 회전력의 확률은 반반이므로 우리가 접하는 자연계의 결과와는 전혀 상관이 없는 것이다. 그래서 돌다가 안 도는 현상이 관찰되지 않는 한 시계방향으로건 반시계방향으로건 한 쪽으로 돌도록 작용하는 원리가 분명 있어야 한다. 하지만 전향력의 영향을 믿지 않으려는 사람들이 한결같이 행하는 태도는 이 부분에 대한 설명이 전혀 없다는 것이다.
만약 이 부분에 대해서 설득력 있는 이론을 들고 나왔다면 애초에 욕조의 물은 빠지면서 돈다는 이론은 생겨나지 않았을지도 모른다.
그러나 이전에 올렸던 Post "<니모를 찾아서> NG를 찾아라!"의 개수대 장면은 대대적인 수정이 있어야 한다는 것에 동의한다. 이 글에서 자세히 말하기는 좀 그렇다. 그리고 그 부분에 대해서 기회가 되는대로 나중에 수정해 놓을 것을 약속한다.
하지만 욕조에서 물이 빠질 때 물의 회전현상은 코리올리의 힘(전향력) 때문에 발생한다는 것은 확실히 확인해 둔다. 내 글이 틀린 것은 전향력 문제가 아니라 다른 문제 때문이다.
코리올리의 힘은 움직이는 물체에 작용하는 매우 작은 힘으로 실질적으로 스스로 물을 회전하게 만들지는 못한다. 그래서 위의 링크에 그에 관련된 글을 작성하면서 어떻게 회전하는지에 대한 얼개를 작어놨었다.
그런데 많은 분들이 이에 대해서 반박을 하시고, 실질적으로 나도 예외적인 상황이 있다는 것을 알고 있기에 그에 대해서 이 글에서 언급하려고 한다. 이 글은 위의 글을 읽어본 뒤에 읽지 않으면 읽는 가치가 없을 것이다.
국소적인 유체의 흐름 속에 나타나는 회전 : 욕조의 물빠짐과 토네이도
1. 욕조의 물빠짐
욕조에서는 아니고 깊이 파인 형태로 만들어진 개수대의 경우에 물의 회전이 반대가 되는 경우가 있었다. 동영상을 직접 보기 바란다.
속초에서 찍은 영상 : 공기방울의 움직임을 보면 시계방향으로 회전한다.
일상적으로 찍은 동영상들은 회전방향이 무조건 반시계방향이다. 아무래도 위와 같이 시계방향으로 도는 모습은 배수관과 배수통의 영향이 있는 것이 아닐까 생각된다.
청계천에서 찍은 영상 : 물은 반시계 방향으로 회전한다.
2. 토네이도
토네이도 또는 용오름은 매우 좁은 영역에서 강한 상승기류가 발생하여 강한 바람이 발생하는 현상을 말한다. 용오름 현상이 발생할 때는 물 속에 사는 물고기가 딸려 올라가기도 하며, 토네이도는 종종 목조 건물을 통째로 들어올리기도 한다. (『오즈의 마법사』) 토네이도나 용오름의 크기는 최대 1km의 폭을 갖는 정도다.
그런데 토네이도의 공기의 움직임은 오직 한 가지 모습을 갖는다. 미국, 중국 등지에서 발생하는 토네이도는 반시계방향의 회전을 갖는다. 물론 남반구인 아르헨티나나 호주에서 발생하는 토네이도는 시계방향으로 회전한다.
영화 <Twister>의 한 장면 : 지붕이 날아가는 방향을 보면 바람의 방향을 알 수 있다.
전향력의 영향을 애써 무시하는 사람들이 국지적이기 때문에 움직임을 설명할 수 없다고 이야기하는 경우가 많은데 그렇다면 마찬가지로 토네이도도 설명할 수 없다.
일반적으로 물이 욕조에서 빠질 때 랜덤하게 방향이 결정되는 경우는 무조건 없다. 만약 그렇다면 물의 회전방향이 강해질 수가 전혀 없다. 한 쪽으로의 회전이 발생했다가도 곧 반대방향으로의 회전력이 작용하면 생겼던 회전이 사라지기 때문이다. 확률적으로 어느 한 쪽으로 작용할 회전력의 확률은 반반이므로 우리가 접하는 자연계의 결과와는 전혀 상관이 없는 것이다. 그래서 돌다가 안 도는 현상이 관찰되지 않는 한 시계방향으로건 반시계방향으로건 한 쪽으로 돌도록 작용하는 원리가 분명 있어야 한다. 하지만 전향력의 영향을 믿지 않으려는 사람들이 한결같이 행하는 태도는 이 부분에 대한 설명이 전혀 없다는 것이다.
만약 이 부분에 대해서 설득력 있는 이론을 들고 나왔다면 애초에 욕조의 물은 빠지면서 돈다는 이론은 생겨나지 않았을지도 모른다.
그러나 이전에 올렸던 Post "<니모를 찾아서> NG를 찾아라!"의 개수대 장면은 대대적인 수정이 있어야 한다는 것에 동의한다. 이 글에서 자세히 말하기는 좀 그렇다. 그리고 그 부분에 대해서 기회가 되는대로 나중에 수정해 놓을 것을 약속한다.
하지만 욕조에서 물이 빠질 때 물의 회전현상은 코리올리의 힘(전향력) 때문에 발생한다는 것은 확실히 확인해 둔다. 내 글이 틀린 것은 전향력 문제가 아니라 다른 문제 때문이다.
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댓글을 달아 주세요
군대에서 비슷한 일을 경험해 봤습니다.
화장실 바닥 청소를 하고 물을 빼는데 소용돌이를 보고 후임들한테 '저 소용돌이는 지구의 자전에 의해서 어쩌고 저쩌고...' 라며 썰을 풀고 있었습니다.
그런데 갑자기 소용돌이 방향이 시계방향으로 바뀌더군요.
한순간 엄청 뻘쭘했다는...
아무튼 그때 관찰한걸 보면 처음에는 반시계방향으로 회전하다 회전력이 점점 약해지는듯 싶더니만 방향이 빠뀌더군요. 그리고 또 약해지는 듯 싶더니 방향이 바뀌고.
그렇게 약 5번 정도는 방향전환이 일어났던걸로 기억합니다.
소용돌이의 세기와 관련이 있는걸까요?
글쎄요... 보지 않은 이상 뭐라 말씀드릴 수가 없네요..
전 그런 경험을 한 번도 하지 못해서...
이거 오래전에 댓글로 말씀드린것 같은데요..
이 문제는 욕조의 크기, 토네이도나 태풍의경우 지구의 크기? 북반구의 크기 정도가 되겠군요, 또 회전하는 빠르기와 물이 빠지는 속도 유체의 점성 등등의 영향을 받습니다.
기본적으로 어떤 힘이 더 크게 작용하는가와 어떤힘이 그 다른 힘에 비해서 상대적으로 작은가를 알면 이 문제에 대한 보다 과학적인 설명은 명백합니다. 일반 욕조크기에서 물을 장시간 평형에 이르지 않게 하고서 빠지는 물의 방향에 대해서는 코리올리의 힘의 영향이 기존 유체의 방향성과 점성 저항에 비해 무척 작다는 것을 간단한 계산으로도 알 수 있을 겁니다; 속도에 따라 다르지만 적어도 중력의 백만분의 1은 됩니다. 점성저항에 대해서는 경계층의 크기가 중요한 요소가 되죠.
이 문제에서 인장님이 간과하시는 점은 실험 (일반 욕조의 물빠짐)을 시작하기전 무조건 유체가 평형상태에 이르러 있다는 가정이고요, 마지막에서 두번째 문단에 대해 좀 코멘트를 하자면 실제적으로 전향력의 반대방향의 물빠짐이 존재하는것을 앞문단들에서 말씀하시면서 그런 경우는 없는데 설명을 못한다 하시면 뭔가 논리적으로 맞지 않습니다.
그리고 실제로 물빠짐의 마지막에 물의 높이가 매우 낮아졌을때, 즉 물의 높이가 경계층의 크기와 비슷한 크기가 되었을때, 점성의 영향으로 물빠짐의 방향, 유체의 방향이 역전되는 경우도 있고, 그리고 물빠짐의 속도가 너무 낮으면 회전이 안생기는 경우도 있고요, 채운 물의 방향에 따라서 회전의 방향은 다르게 나타납니다.
실제로 발표된 논문을 원하신다면 보내드리죠.
논문을 보내주세요. 부탁드립니다.
5월@작은선인장.com 으로 보내드렸습니다.
저도 나중에 시간을 내서 조금 테스트를 해볼 예정입니다만, 다르게 생각하는 점을 말씀드리면, 확률적으로 반반이라고 했을 때도 소용돌이의 현상은 얼마든지 설명이 가능합니다. 애당초 시작을 한쪽으로 했고 그것 자체가 각속도를 가지므로 계속해서 회전하는 성질을 갖게 되는 것이죠. (마찰력이 있기 때문에 일시적으로 멈출 수도 있는 것이구요. 그럴 경우 다시 랜덤으로 방향이 결정되구요.)
저도 위의 DDD 님과 같은 상황을 매우 많이 봅니다. 저런 상황은 정말 흔하게 볼 수 있는데, 욕조 같이 물리 빨리 돌아가는 곳에서는 보기 힘들고, 배수구에 이물질이 많아 배수가 느리거나 할 경우... 회전력이 사라질 수가 있으니 방향이 바뀌는 것이겠죠.
결론적으로 제 생각엔 코리올리의 힘은 영향을 거의 받지 않거나 받는다고 하더라도 더 시계 반대방향으로 돌 확률이 조금 더 높을 뿐, '항상'이라는 단어는 사용할 수 없다고 생각합니다. (물론 토네이도는 제외입니다. 토네이도는 크기가 크니 당연히 코리올리의 힘에 영향을 받겠죠.)
DDD님과 같은 경우를 많이 보신다고 하셨는데, 동영상으로 촬영해서 올려주시기 부탁드립니다.
ps. 토네이도의 크기는 수m~1km 미만의 크기를 갖고 있습니다. 토네이도 역시 전향력만으로는 회전을 설명할 수 없습니다. 전향력으로 모든 설명이 가능한 것은 일반적인 (열대성, 온대성) 저기압, 고기압 정도 뿐입니다.
이전 글(본문의 첫 링크)에서 말씀드렸듯이 욕조의 물빠짐 자체도 회전방향만 결정할 뿐 전향력으로 모든 현상을 설명해 주진 못합니다. 그래서 위의 첫번째 동영상에서 보듯이 약간의 영향만으로 반대로 회전할 수 있게 됩니다.
회전이 계속 반대로 뒤바뀌는 경우는 외부에서 각운동량이 전달되어 들어왔는지를 살펴보는 것이 좋지 않을까 생각되네요.
글 재밌게 봤는데요. 근데 카오스이론과도 관련있지 않을까요? 제가 주제 넘은걸지도 모르지만 왠지 그런 이론과도 관계가 있을 거 같네요. 특히나 유체의 행동은 예측하기가 정말 힘들다고 해서요. 유체와 관련된 문제는 대부분 카오스이론과 항상 연계되더군요.