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변기물을 내리면 왜 회전을 하면서 내려갈까?

일상속 호기심/과학

by 스마트 1분 2020. 2. 10. 21:08

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화장실에서 일을 보고 물을 내리면 변기 구멍으로 물이 내려가게 됩니다. 그런데 조금 자세히 보면 어떤 변기의 경우에는 물이 회전을 하면서 내려가는 것을 볼 수 있죠.  사실 이렇게 물이 회전하면서 배수되는 것은 변기만이 아니라 싱크대, 욕조 등 다양한 장소에서 볼 수 있는 현상입니다. 당연하게 느껴지기도 하지만 어찌보면 조금 의아하기도 한데 배수되는 물은 왜 회전을 하면서 내려가는 것일까요?

▶여러 자료들을 찾아본 결과 의문에 대한 명확한 해답은 찾을 수 없었습니다. 다만 가능성이 있는 몇가지 가설들에 대해서 알 수 있었죠. 그간 논란은 있어왔지만 많이 언급되는 가능성이 있는 가설 중 하나가 바로 '전향력'입니다. 코리올리 효과라고도 불리는 전향력은 지구가 자전하기 때문에 작용하는 힘이죠. 

<자전하는 지구, giphy>

 

 

적도를 기준으로 본다면 우리나라가 속한 북반구의 경우 자전의 영향때문에 운동하고 있는 물체는 모두 반시계 방향으로 힘을 받게됩니다. 반대로 남반구의 경우도 동일하게 자전의 영향을 받지만 이때는 시계 방향으로 힘을 받게 되죠. 즉, 물체가 어디에 있느냐에 따로 서로 다른 방향으로 힘을 받게 되는 것입니다. 

 

실제로 전향력은 실생활에서 고려가 되어져야 되는 경우가 많은데 특별히 이런 힘이 잘 고려되야 하는 곳이 바로 군대입니다. 예를 들어 항공기의 조종사가 폭탄을 투하할 경우 전향력을 고려하지 않고 투하하면 폭탄이 받는 힘 때문에 목표에서 멀어지게 될 수 밖에 없죠. 따라서 폭탄을 투하할 때는 떨어지는 좌표를 설정할 때 반드시 전향력을 계산하고 투하해야 정확히 목표물을 맞힐 수 있게 되는 것입니다. 즉, 포탄의 조준을 북반구에서는 목표물의 좌측으로 해야 하는 이유가 바로 이것 때문이죠.

<https://allthatsinteresting.com/coriolis-effect>

군대라고 하니 왜인지 좀 멀게만 느껴지기만 하지만 여러 전문가들은 이 전향력이 우리 실생활에도 영향을 미친다고 언급하고 있죠. 그리고 물이 회전하는 이유를 이 전향력으로 설명하려고 하는 전문가들도 더러 있습니다. 

 

앞서 언급했듯이 모든 물체는 전향력으로 인해 힘을 받게 되는데 북반구에 있는 물건은 반시계방향으로 영향을 받으며 남반구에 있는 물체는 시계방향으로 영향을 받죠. 그래서 변기 그리고 변기에 있는 물도 이에 영향을 받는다는게 바로 이들의 주장입니다. 즉, 변기에 있는 물이 전향력에 의해 영향을 받기 때문에 물을 내리게 되면 이 물이 전향력의 영향으로 휘어지게 되고 이것이 우리 눈에 회전을 하며 내려가는 것처럼 보인다는 것이죠.

 

 

그러나 여기에는 한가지 문제가 있는데 전향력이 모든 물체에 영향을 미치긴 하지만 때에 따라서는 그 힘은 무시할 만큼 작을 수 있다라는 것이 바로 그것입니다. 그리고 이는 전향력의 상대적인 크기를 통해 영향력을 판단하는 근거가 되는 '로스비수'를 통해 확인이 가능합니다. 

 

▶로스비 수(R0)는 다음과 같이 정의할 수 있습니다. 

여기서 는 U는 물체흐름의 속력의 크기, L은 물체 혹은 물체가 담겨있는 공간의 규모, f는 코리올리 모수를 나타냅니다. 이 공식은 로스비 수(R0)가 1보다 충분히 큰 경우에는 지구자전 효과인 전향력을 무시할 수 있으며, 1보다 충분히 작다면 전향력은 무시될 수 있다는 것을 의미합니다.

실례로, 규모가 매우 큰 해양 혹은 토네이도의 경우 영향력이 명확하게 들어납니다. 대규모 해양순환의 경우를 보면 공간의 규모(L)은 대략 4,000Km , 속도(U)는 대략 10cm/s , 코리올리 모수(f)는 10s 정도로 보며 이를 통해 로스비 수(R0)는 1보다 상당히 작은 걸 알 수 있죠. 이 때문에 대규모 해양순환에서 전향력은 매우 중요한 역할을 하며 실제로 이 힘이 크게 작용한다고 알려져 있습니다. 

 

반면 변기의 물을 고려한다면 물이 내려가는 속도는(U) 매우 빠른반면 공간의 규모는(L) 매우 작다는 것을 알 수 있는데 이를 고려하면 변기의 물에 전향력이 미치는 영향력이 상당히 제한적임을 알 수 있습니다. 그래서 많은 전문가들은 전향력 때문에 변기의 물이 회전하면서 내려간다라고 말하기는 어렵다라고 언급하고 있는 것이죠.

 

 

<giphy>

▶전향력의 효과가 없다고 언급하는 다른 전문가들은 오히려 물이 배수되기 시작할 시점의 초기조건이 물이 회전하는데 더 큰 영향을 미칠 수 있다고 말합니다. 변기같이 작은 규모안에서는 오히려 물이 배수될 때의 초기흐름, 변기의 구조와 같은 초기조건등이 훨씬 더 큰 영향을 미칠 수 있다는 것이죠. 즉, 물의 회전하는 데에는 변기물이 빠져나가는 순간 어느방향으로 얼마만큼이 더 많이 빠져나가는가가 회전에 영향을 미칠수 도 있으며 변기의 미세한 구조차이가 변기물을 회전시킬 수도 있다는 것입니다. 

 

 

※ 참고자료·논문자료·자문 등 도움

 

1) 코리올리 효과 : 항공기 무장 궤적 해석

2) 해양학백과: 로스비 수

3) Does water go down the drain counterclockwise in the northern hemisphere?

4) Why does water going down a plughole spin in one direction in the Northern hemisphere

5) Does water flowing down a drainspin in different directions

6) Coriolis Force Effect on Drains

 

 

 

 

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