一個司空見慣的自然現象當我們放掉水池里的水時注意到下水口會產生一個漩渦或許大部分人在看到這樣的現象后并不會有什么進一步的聯想但往往自然的奧妙就藏在這些不引人注意的地方

這個奧妙之處就在于

漩渦的方向

漩渦是以順時針還是逆時針旋轉呢為什么會這樣呢

關于這個問題應該有不少人脫口而出漩渦的方向與地球自轉有關系北半球的漩渦是逆時針旋轉以北極上空的視角俯視南半球的漩渦是順時針旋轉南極上空視角俯視

如果再問為什么會這樣答復就是水流受地轉偏向力影響

這樣的回答乍一看似乎很有道理比如小編以前就是這個解釋堅定的支持者

印象還是非常深刻的當時上初二才開設物理課物理老師在頭幾節課上都是給我們講一些生活中的物理現象其中問到了一個問題當我們將水池里的水排掉時會發現在排水口出現了一個漩渦那么漩渦的方向是由什么決定的呢

當時我脫口而出漩渦方向和地球自轉方向相關北半球逆時針轉

想起來那時候我有一個良好的習慣就是每周都會去圖書館借書看大概是從小學四年級開始的這個知識點當時就是從科普書上看來的不過后來知道了科普書也不是全部都是對的但這種每周借書的習慣后來逐漸被去圖書館的電子閱覽室所取代了一部分畢竟電腦游戲它不香嗎雖然名義上是上網查資料

言歸正傳當時我回答完后老師竟然認同了我的觀點并不是說老師水平不行只能說關于這一點老師可能也沒多想就照著一些書的說法來講了畢竟當時我也在物理習題冊上遇到過這類說法

而當我意識到水渦的旋轉方向與地球自轉無關時已經是到了中學畢業的時候了我無意中在網上翻到了一個視頻是臺灣省的一檔科普節目做了很多對比實驗最后結論是水渦的旋轉方向與水流的初始角動量以及水池的構造有關如果將水靜置很長時間那么就不會有明顯的漩渦出現

寫這篇文章的時候也想重新找一下那個節目可惜我已經忘了名稱找了好一會兒功夫還是沒結果

所以我就用杭州科協的一檔節目好奇實驗室的相關內容來進行一個簡單的介紹

實驗人員在南北兩個半球做了實驗南半球的實驗員估計是節目邀請幫忙的粉絲

下面是在北半球做的實驗截圖

我們可以看到在多次實驗中并不是每次都是按照逆時針方向進行旋轉的

而在南半球也同樣是這樣的情況

為了對這樣的現象進行解釋實驗員請教了相關專家給出的答復是漩渦的方向主要受初始動力以及水池結構的影響而地球自轉導致的地轉偏向力影響十分有限并不是現象的核心原因

關于這一點在臺灣省的那檔節目中實驗員做了幾次這樣的實驗他們將水龍頭朝一側微微傾斜緩慢放水然后稍微靜置一段時間之后開始排水結果發現漩渦的方向取決于一開始水龍頭的朝向也就是水流的初始角動量

最后好奇實驗室的實驗員又親自用一個大圓盆做了一個水池放滿水之后靜置了一個小時并且放了一片樹葉來判斷水是否靜止最后滴入顏料并從圓盤底部拔掉塞子觀察排水口情況

結果發現排水口處的水流都是直流而下沒有任何漩渦產生的跡象

由此可見影響水渦方向的主要因素的確是水的初始角動量以及水池的結構

那么為什么會有用地轉偏向力來解釋漩渦的說法呢

首先我們需要知道什么是地轉偏向力

估計很多朋友最早接觸這個概念應該是在地理課上老師在講到大氣環流這個部分的時候會提到地轉偏向力

實際上這個所謂的地轉偏向力其實并不是一個真實存在的力它是一個存在于非慣性系的慣性力

非慣性系視角下的小球運動

更寬泛的稱呼應該是科氏力地轉偏向力只是科氏力的一個分力是科氏力在地球表面水平方向上的體現地轉偏向力的方向與物體運動方向相垂直也就是只改變運動方向卻不改變運動速率直觀的理解可以見下圖

紅色是物體實際運動路徑紫色是物體原定的運動路徑同時可以注意到赤道方向的運動物體它們并不受地轉偏向力的影響不過這并不意味著在赤道上運動的物體所受科氏力為零

隨著緯度的增加運動物體所受地轉偏向力也是逐漸增大的其數值計算按照F2mvsinm是物體質量v是運動速率是角速率是緯度

按照這個公式我們可以對水池中的運動水流進行一個計算

假設水池的半徑為30公分水流從水池邊緣向中心排水口出發徑向速率為每秒2米緯度就按60度算角速率是地球的角速率7292x10負5方rads算

那么水流在達到排水口時所產生的橫向位移僅僅有00028毫米左右對比我們平常看到的漩渦很明顯僅僅依靠地轉偏向力是不可能產生肉眼可察覺的漩渦

雖然地轉偏向力對于水池漩渦的產生幾乎毫無幫助但對于大尺度長時間的運動影響還是很明顯的比如臺風的形成北半球的臺風是逆時針旋轉而南半球的臺風是順時針旋轉的由于赤道附近的地轉偏向力很弱因此臺風不會在靠近赤道的地方形成

北半球臺風

南半球臺風

總的來說我們日常生活中見到的水流漩渦其漩渦方向幾乎都是由環境因素或初始動力造成的

至于地球自轉所帶來的地轉偏向力的影響可以直接忽視因此說什么由于地轉偏向力導致北半球水流漩渦逆時針南半球順時針都是謠言而已

本篇文章的內容到此結束

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