지구 자전의 증거 — 푸코 진자는 왜 돌까

밤하늘의 별은 북극성을 가운데 두고 하루에 한 바퀴 돕니다. 그런데 이것만으로는 지구가 돈다고 말할 수 없습니다. 지구가 멈춰 있고 하늘이 통째로 돈다고 해도 똑같이 보이기 때문입니다. 옛 천동설은 실제로 그렇게 설명했습니다. 지구가 도는 것을 지구 위에서 직접 드러내는 현상이 따로 있어야 하고, 그것이 지구 자전의 증거입니다. 가장 이름난 것이 과학관 천장에 매달려 하루 종일 흔들리는 푸코 진자입니다.

푸코 진자 — 진자는 그대로이고 바닥이 돕니다

1851년 푸코는 파리의 판테온 천장에 67 m 의 긴 줄을 매달고 무거운 추를 흔들었습니다. 몇 시간이 지나자 진자가 흔들리는 방향, 곧 진동면이 조금씩 돌아 바닥에 둘러 세운 막대를 차례로 쓰러뜨렸습니다. 진자를 옆으로 미는 힘은 아무것도 없습니다. 줄에 매달린 추는 처음 흔들린 방향을 우주에 대해 그대로 지킵니다. 도는 것은 진자가 아니라 그 아래의 바닥, 곧 지구입니다.

북극에서 생각하면 가장 쉽습니다. 진동면은 고정되어 있고, 지구는 위에서 볼 때 시계 반대 방향으로 하루에 한 바퀴 돕니다. 바닥에 선 사람에게는 진동면이 시계 방향으로 하루에 한 바퀴 도는 것으로 보입니다. 적도에서는 진동면이 전혀 돌지 않습니다. 그 사이의 위도에서는 하루 동안 위도의 사인값만큼만 돌아, 한 바퀴 도는 데 하루보다 오래 걸립니다. 남반구에서는 방향이 반대라 시계 반대 방향으로 돕니다.

전향력 — 북반구에서는 오른쪽으로 휩니다

도는 지구 위에서 움직이는 물체는 북반구에서 진행 방향의 오른쪽, 남반구에서 왼쪽으로 휘어 보입니다. 이것이 전향력입니다. 실제로 물체를 미는 힘은 아닙니다. 회전하는 원판 위에서 공을 굴리면 공은 곧게 가지만, 공이 가는 동안 원판이 돌아 버려 원판 위에 남는 자국은 휘어 있습니다. 바닥이 돌기 때문에 생기는 겉보기 힘이고, 그래서 지구가 돈다는 증거입니다.

전향력은 물체가 빠를수록, 위도가 높을수록 크고 적도에서는 0 입니다. 태풍이 북반구에서 시계 반대 방향으로 도는 것, 대기 대순환의 무역풍과 편서풍이 남북으로 곧게 불지 않고 비스듬히 부는 것이 모두 전향력 때문입니다. 바람과 해류가 휘는 방향은 전향력 하나로 정해지므로, 지구가 돌지 않았다면 바람의 지도는 전혀 다른 모양이었을 것입니다.

그 밖의 증거 — 인공위성과 떨어지는 물체

인공위성의 궤도면은 우주에 대해 고정되어 있는데, 그 아래에서 지구가 동쪽으로 돕니다. 그래서 위성이 한 바퀴 돌아 같은 위도로 돌아올 때마다 그 아래 지나는 땅은 서쪽으로 옮겨 있습니다. 위성이 지나간 자리를 지도에 그리면 서쪽으로 밀리는 띠가 됩니다. 이것이 인공위성 궤도의 서편 이동입니다. 또 하나, 높은 탑에서 떨어뜨린 물체는 바로 아래보다 조금 동쪽에 떨어집니다. 탑 꼭대기는 바닥보다 지구 중심에서 멀어 자전으로 움직이는 속력이 조금 더 빠르기 때문입니다.

시험에서는 이렇게 나옵니다

• 자전의 증거: 푸코 진자의 진동면 회전 · 전향력 · 인공위성 궤도의 서편 이동 · 떨어지는 물체의 동편 편향.
• 공전의 증거와 가르기: 연주 시차 · 광행차 · 별빛 도플러 효과의 연주 변화는 공전의 증거입니다(연주 시차).
• 별의 일주 운동과 낮밤은 자전으로 일어나는 현상이지 증거가 아닙니다. 하늘이 돈다고 해도 똑같이 설명되기 때문입니다.
• 푸코 진자: 북반구에서 시계 방향, 남반구에서 시계 반대 방향, 적도에서는 돌지 않음. 극에서 24시간, 위도가 낮을수록 한 바퀴에 오래 걸립니다.
• 전향력: 북반구에서 오른쪽, 남반구에서 왼쪽. 고위도일수록 크고 적도에서 0.

자주 헷갈리는 것

• "푸코 진자는 진동면이 돈다" — 진동면은 우주에 대해 그대로이고, 그 아래 바닥이 돕니다. 도는 것처럼 보일 뿐입니다.
• "적도에서도 푸코 진자가 돈다" — 적도에서는 진동면이 돌지 않습니다. 회전은 위도의 사인값에 비례합니다.
• "별이 하루에 한 바퀴 도니 자전의 증거다" — 지구가 멈추고 하늘이 돌아도 같은 모습입니다. 지구 위에서 자전을 드러내는 현상만 증거입니다.
• "연주 시차는 자전의 증거다" — 연주 시차는 지구가 태양을 도는 동안 별의 방향이 바뀌는 것이므로 공전의 증거입니다.

정리합니다. 하늘이 도는 것으로는 자전을 증명할 수 없고, 지구 위에서 자전을 드러내는 현상이 증거입니다. 푸코 진자의 진동면은 우주에 고정된 채 아래 바닥이 돌아 북반구에서 시계 방향으로 도는 것처럼 보이고, 움직이는 물체는 전향력으로 북반구에서 오른쪽으로 휘며, 인공위성이 지나는 땅은 서쪽으로 옮겨 갑니다.