5월의 작은 선인장

첫번째 문제는 간단하죠?
지구가 자전하는 것이 원인이 되어 나타나는 힘은 코리홀리의 힘이 그 원인입니다.
첫번째 문제는 많은 분들이 맞추셨을 듯 합니다. ^^

전공자들끼리 싸우게 된 원인이 이것인데...
일단 회전의 원인이 코리올리의 힘이라고 하셨습니다. 맞는 것인가요?
하지만 코리올리의 힘을 계산해 보면 물이 회전하기 위한 구심력으로써는 터무니없이 작은 값이 나옵니다. 그렇다면 코리올리의 힘이 회전시키는 힘은 아니란 결론입니다. 이 문제를 해결해보세요.(2003년 09월 24일)

일단 물이 도는건 한 지역에서라면 정해져 있습니다. 물론 적도라면 정해지지 않겠죠... 적도는 코리올리의 힘(전향력)이 없으므로 그때그때의 환경에 따라서 이랬다 저랬다 할겁니다.
하지만 남반구나 북반구는 서로 반대이지만 어떤 특정 지역에서는 도는 방향이 정해지게 되죠...

그럼 위에서 말한 코리올리의 힘과 구심력의 관계를 설명드릴께요...
코리올리의 힘은 거대한 공기의 흐름을 설명하거나, 거대한 해류의 흐름을 설명할때는 요긴하게 쓰입니다. 하지만 미세구조에 속하는 욕조의 소용돌이를 설명할때에는..전혀 요긴하지 않습니다. 하지만 그 회전의 원인이 전향력에 있다는 것은 전혀 의심할 여지가 없습니다.

실제로 숫자 계산을 해 보면 전향력은 필요한 구심력의 1%에도 못 미치는데요..
이것은 전향력이 구심력 역할을 할 필요가 없기 때문입니다.
욕조에서 빠지는 물에 미치는 힘을 살펴보면 중력, 압력차이(물이 한쪽에서 빠져나가서 압력의 균형이 무너졌음), 전향력 대략 이 세가지 정도가 있습니다.
중력은 압력차이를 일으키는 주된 요인이 되므로, 결국 압력과 전향력 이 두가지인데, 전향력이야 위에서 구심력으로 작용하는 것이 아니라고 했으므로, 결국 구심력은 압력차이에서 기인한다고 볼 수밖에 없습니다. 그렇다면 전향력이 하는 역할은 무엇일까요??
예.. 그것은 회전하는 원천적 힘을 제공하는 것입니다.
전향력은 아주 작으므로 처음에는 눈에 띄지도 않을정도로 작은 회전을 만들어 냅니다. 지금 욕조에 가서 확인해 보세요. 욕조의 마개를 처음 뺐을때는 회전이 눈에 띄지 않습니다. 하지만 조금 지나면 서서히 회전이 시작됩니다. 반대로 이야기하면 회전은 약한 힘에 의해 기인하는데, 그 힘이 점점 더 축적(?)된다고 볼수밖에 없습니다.

이 것은 천체물리학 등에서도 자주 등장하는 물리현상인데요...
블랙홀(혹은 중성자별)에서 방출되는 X선 발생원에 대해서 하두번씩은 다 들어보셨으리라 생각합니다. 이때 X선을 방출하는 그 힘은 주변의 성간물질이 블랙홀로 떨어질때 자기 스스로는 전혀 방출할 여지가 없으며, 그 물체가 다른 물체와 만났을때에야 방출할 수 있다는 것입니다. 물체가 블랙홀로 떨어질때에는 안쪽(블랙홀에 가까운 쪽)의 물체가 속도가 더 빠릅니다. 이건 블랙홀의 중력에너지 때문에 나타나는 현상인데, 회전하면서 블랙홀로 떨어지는 물체에서 안쪽과 바깥쪽의 물체들은 심하게 비벼지게 됩니다. (아주 조금만 안쪽으로 들어가도 속도차이가 아주 심하게 나기 때문입니다.) 이렇게 비벼지면서 나타나는 것이 격렬한 분자운동이고, 이 분자운동은 우리 주변의 물체의 분자운동과 근본적으로 같습니다. 따라서 격렬한 분자운동은 높은 온도와 같은 것이고, 온도가 높으면 전자기파가 방출되는데, 블랙홀에서 나오는 전자기파는 X선이 될 정도로 온도가 높아지게 된다는 것입니다..

자 그럼 물의 욕조로 다시 돌아와서...
안쪽으로 들어간 물 분자는 전향력으로 약간 구멍의 주위로 회전하는(Curl) 경향을 처음에는 띄게 됩니다. 그리고 이 물 분자보다 조금 밖의 물분자는 역시 회전하는 경향을 띄게 되는 것은 마찬가지이지만, 그 경향이 더 작게 되구요...
따라서 안쪽 물분자와 바깥 물분자 사이엔 비벼짐 현상이 일어나게 되며, 이때 안쪽 물 분자의 회전하려는 물리적 성질은 (일부가) 바깥쪽으로 전달되게 됩니다. 이런 현상이 계속적으로 일어나서 회전하려는 힘(각운동량)이 계속 그 부근에 축적되는 현상이 일어나게 되고, 따라서 시간이 갈수록 회전이 빨라지게 됩니다. 이 현상은 회전하려는 성질이 주변에 마찰로 잃어버리게 되는 에너지와 동일하게 될때까지 점점 더 강해지게 됩니다. (쉬운 말로 표현하자니... 의미 전달이 너무 허접하게..-_- 되는군요.)

이해가 가셨는지요??

그래서 물이 거의 다 빠지고, 욕조에 남아있는 물의 양이 적어져서 욕조바닥에 깔리게 되면, 욕조바닥의 마찰력이 너무 강해져서 다시 회전이 사라지게 되는 것입니다.
(2003년 09월 25일)