코리올리 힘

코리올리 힘(Coriolis force)

코리올리는 일반적인 뉴턴의 방정식을 회전하는 기준좌표계에 적용할 경우 기준계의 회전이 반시계방향이면 물체의 운동방향에 오른쪽으로, 시계방향이면 왼쪽으로 작용하는 어떤 관성력이 운동방정식에 포함되어야 한다는 것을 보였다.

코리올리 힘의 효과로 인해 회전좌표계에서 움직이는 물체의 경로는 겉으로 보기에 편향된다. 그러나 실제로 물체는 그 경로로부터 벗어나지 않는데, 좌표계의 운동으로 인해 그렇게 보일 뿐이다. 코리올리 효과는 경선방향으로 운동하는 물체의 경로에서 가장 확실하게 드러난다.

지표면에서 남극과 북극을 잇는 경선을 따라서 움직이는 물체는 북반구에서는 오른쪽으로, 남반구에서는 왼쪽으로 겉보기편향을 한다. 이 현상에 대한 2가지 원인은 첫째, 지구가 동쪽으로 회전하기 때문이고, 둘째, 지표면에서 어느 지점의 접선속도는 위도의 함수이기 때문이다. 접선속도는 극지점에서는 정확히 0이고 적도에서는 최대값이다. 따라서 적도위치에서 북쪽으로 대포를 쏜다면 포탄은 정확한 북쪽이 아니라 동쪽으로 비껴나서 떨어진다. 이 변화량은 포탄이 북쪽의 목표지점보다 적도위치에서 동쪽으로 더 빨리 움직이기 때문이다. 마찬가지로 북극에서 적도를 향해 포탄을 발사하면, 포탄은 다시 원래 경로의 오른쪽에 떨어진다. 이 경우도 목표지점이 동쪽 방향의 속도가 크므로 포탄이 닿기 전에 동쪽으로 이동했기 때문이다. 포탄을 어느 방향으로 쏘아도 마찬가지의 똑같은 변위가 일어난다. 코리올리 편향은 물체의 운동, 지구의 운동, 위도와 관계 있다. 이와 같은 이유로 코리올리 효과의 크기는 2vω sinφ이다. 여기서 v는 물체의 속도, ω는 지구의 각속도, φ는 위도이다.

코리올리 효과는 천체물리학과 행성역학에서 상당히 중요하며 태양흑점의 회전방향을 조절하는 요인이다. 또 지구과학, 특히 기상학·지구물리학·해양학에서 중요한데 이들에서 지구는 회전하는 기준좌표계이며 지표면에서의 운동은 코리올리 힘에 의해 가속된다. 따라서 코리올리 힘은 대기의 운동역학에서 뚜렷이 나타나는데, 탁월풍과 폭풍의 회전에 영향을 주며, 수권(水圈)에서 해류의 회전에도 영향을 준다.

또한 코리올리 힘은 탄도학, 특히 우주선의 발사와 궤도운동에서 중요한 고려대상이다. 현대물리학에서 코리올리 힘에 해당하는 힘은 전기역학에서 나타나는데, 회전하는 전기기기에서 발생되는 순간적인 전압을 움직이는 기준좌표계에 대해서 상대적으로 계산해야 할 때이다. 이 보상전압을 크리스토펠 전압(Christoffel voltage)이라고 한다.