в какую сторону воронка воды закручивается в северном полушарии
Вращение воды и Сила Кориолиса
Сегодня поговорим, откуда возникает вращение воды, а также о силе Кориолиса. В общем, название нашей темы такое: вращение воды и сила Кориолиса. Да да, я понимаю, что тема звучит немного непонятно, но поверьте, она очень интересная. Каждый из нас замечал, что при сливе какой-либо жидкости в сливное отверстие возникает вращение.
Это очень необычное явление, не правда ли? Вообще над этим вопросом очень много споров. Кто-то считает, что на жидкость (на воду) действует сила Кориолиса (французский физик), другие говорят, что этой силой является магнитное поле Земли (южный и северный полюс); температура, которая влияет на вращение; своеобразная форма ванны; разнообразные царапины или шероховатости. И таких предположений очень много.
Кстати, можно провести эксперимент в домашних условиях. Для этого вам сгодится обычная раковина (ванна) или даже унитаз и, конечно же, вода. Сначала необходимо закрыть плотно сливное отверстие (унитаз — исключение), например, пробкой. Затем налить воду примерно на середину объёма раковины (ванны). Подождать минут 5-10, что бы вода полностью успокоилась и заодно уменьшить воздействие колебаний, вихрей, возникших при наливании воды. И при удалении пробки, вода постепенно начнёт закручиваться в определённую сторону.
В Северном полушарии Земли — вода крутится против часовой стрелки, а в Южном полушарии — течет по часовой. Но если Вы закрутите воронку в противоположную сторону, то в большинстве случаев она продолжит вращаться в этом направлении. Это происходит, потому что объём раковины слишком мал и поэтому сила Кориолиса в этом случае очень незначительна. Также стоит сказать, что в домашних условиях немаловажную роль играет форма раковины и конструкция сливного отверстия.
Влияние силы Кориолиса
Для того чтобы увидеть влияние силы Кориолиса, нужно строго симметричная ванна, в которой сливное отверстие расположено точно в центре и открывается так, что при этом не создается начального закручивания воды. Вода в ванне должна постоять день-другой, а над водой не должно быть воздушных потоков и температуру в помещении необходимо поддерживать постоянной. И только при соблюдении всех мер вышеперечисленных можно будет наблюдать истинное вращение воды (как льется вода по часовой стрелке или нет) которое в свою очередь будет зависеть от Кориолисовой силы. Согласитесь, что всё это будет сложновато устроить.
Но увидеть действие этой силы можно и в природных явлениях. В Северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в этом полушарии более крутые — их подмывает вода под действием силы. В Южном полушарии всё происходит наоборот.
Если рельсы были бы идеальными, то при движении железнодорожных составов с севера на юг и с юга на север, под воздействием силы Кориолиса один рельс изнашивался бы сильнее, чем второй. В северном полушарии больше изнашивается правый, а в южном левый. Таких примеров можно привести множество.
Что ещё вращается и в какую сторону
Думаю, теперь Вы знаете о действии силы Кориолиса, а также разобрались с вращением воды в природе.
Водяная воронка в Северном и Южном полушариях Земли закручивается в разные стороны
Утверждение о том, что водяная воронка в раковине закручивается в разные стороны в Северном и Южном полушариях Земли, весьма распространено и считается истиной, не требующей проверки. Это не совсем так, хотя доля истины здесь есть, а чтобы понять, в чем состоит главная ошибка, необходимо разобраться в образовании циклонов и океанических течений.
Откуда пошло утверждение, вынесенное в заголовок? Почему люди искренне уверены в том, что это так? Все дело в так называемых силах Кориолиса, описанных в 1833 году французским математиком Густавом Кориолисом. Именно под действием этих сил вода (а также и воздух) должны приобретать вращательное движение, то есть закручиваться в воронки.
Уяснить себе механизм возникновения сил Кориолиса не так сложно, при этом нет необходимости прибегать к закону инерции, определениям неинерциальной системы отсчета и другим физическим явлениям. Достаточно знать, что любое тело стремится двигаться прямолинейно, а отклонение тела от прямолинейного пути свидетельствует о том, что оно испытывает воздействие какого-то другого тела или силы. Так и тела, находящиеся на вращающемся объекте (например, на нашей Земле), движутся прямолинейно, но это прямолинейное движение заметно только наблюдателю, находящемуся вне вращающегося объекта.
А для наблюдателя, находящегося непосредственно на вращающемся объекте (например, для нас, землян), картина выглядит совершенно иначе. Ему кажется, что тело движется вовсе не прямолинейно, а по дуге, причем это движение направлено в противоположную сторону вращения объекта. Проще говоря, вращающийся объект как бы ускользает из-под движущегося по нему тела.
Итак, силы Кориолиса заставляют различные тела двигаться по поверхности Земли криволинейно. И именно этими силами обусловлено возникновение циклонов и антициклонов — воздушные потоки закручиваются, вследствие чего образуются огромные, многосоткилометровые вихри, играющие едва ли не определяющую роль в образовании погоды. Также силы Кориолиса приводят к тому, что в Северном полушарии реки подмывают правые берега, а в Южном — левые. В этом случае вода в реках стремится двигаться прямолинейно, но этому мешают берега, принимая на себя дополнительное усилие, развиваемое водяным потоком вследствие действия силы Кориолиса.
Из вышеописанных фактов и законов вытекает, что и водяная воронка в раковине будет закручиваться по-разному в Южном и Северном полушариях. Теоретически — да, практически это сложнейшая задача. Все дело в том, что в этом случае слишком малы массы воды, участвующей в движении, — силы Кориолиса на Земле довольно слабы и оказывают заметное действие только на массивные объекты либо тела, испытывающие очень малое сопротивление среды.
В обычных раковинах направление закручивания водяной воронки очень слабо зависит от сил Кориолиса — здесь на первый план выходят случайные воздействия на воду, форма раковины, диаметр трубы и т. д. А для того чтобы убедиться в том, что в Северном полушарии воронка закручивается по часовой стрелке, а в Южном — против, необходимы создание идеальных условий и соблюдение крайней осторожности. В обычных же условиях силы Кориолиса в раковине почти не проявляются.
Безопасный цвет автомобиля
Почему пятница и число 13 принято считать плохим днем?
Антибиотики и алкоголь
Почему вода в ванной утекает в виде вихря? От чего зависит то, в какую сторону этот вихрь крутится?
Вода в ванной/раковине утекает в сливное отверстие в виде вихря (образуется вихревое движение) из-за того, что происходит слияние нескольких течений воды (сразу с нескольких сторон), которые стремятся к небольшому стоку и в результате образуется водоворот.
В мире существует популярное мнение, что вода может закручиваться в разных направлениях в зависимости от нахождения в Южном или Северном полушариях Земли. И считается, что данное явление происходит из-за вращения Земли, а также действия силы Кориолиса (сила инерции, которая действует на поток жидкости во вращающейся системе отсчета).
Однако существуют также люди, которые критикуют данное мнение и считают, что воронка в ванной в Южном и Северном полушариях может вращаться как по часовой, так и против часовой стрелки. А в какую сторону эта воронка будет крутиться будет зависеть от множества других факторов. Критики считают, что масштаб данного явления в ванне является слишком маленьким для того, чтобы на него повлиял эффект Кориолиса.
Из-за двух разных мнений проводилось немало испытаний данного явления и было обнаружено, что эффект действительно будет проявляться (то есть направление вращения зависит от нахождения в Южном или Северном полушариях), но только, если будут созданы тщательно подготовленные условия, эксперимент будет проводиться далеко от экватора, сосуды(ванны) будут абсолютно одинаковы, жидкость будет долгое время настаиваться и будут постоянно контролироваться внешние условия (то есть поддерживать одинаковую температуру, будет отсутствовать поток воздуха).
Таким образом, в обычной ванне вне научного эксперимента вихрь может вращаться в разные направления и по часовой, и против часовой стрелки (также проводились опыты в домашних условиях). Направление вихря будет зависеть от особенностей построения и геометрии ванны, её поверхностного слоя (гладкая или шероховатая), от геометрии потоков в воде, а также строения канализационной системы в определенном помещении.
На сайте интересnik! есть статья, в которой утверждается, что в северном полушарии водяные воронки закручиваются в правую сторону, а в южном полушарии – в левую. Автор объясняет это силами Кориолиса. Но к статье есть комментарий, автор которого утверждает, что за счёт сил Кориолиса направление вращения воронок должно осуществляться в другую сторону от указанного в статье: «Логично, что по законам сил, выявленных Кориолисом, одно от другого отталкивается. – значит, не нужно быть космонавтом, чтобы в математическом и логическом понимании изобразить схему: «Со стороны Северного полюса Земля вращается по часовой – следовательно, «отталкивающие» это вращение силы должны вращаться ПРОТИВ – и зеркально для Южного полушария».
Однако на наш взгляд, оба респондента, которые выражают разное мнение примерно одинакового количества людей с каждой стороны, не правы. Износ рельсов и берегов это явление, действительно связанное с силой Кориолиса, а закручивание воздушных масс и воды это совсем другое явление. Как известно сила Кориолиса не зависит от величины радиуса. Поэтому на все точки радиального потока воздуха или воды действует абсолютно одинаковая сила Кориолиса (см. Рис. 1), которая в силу этого обстоятельства не может закручивать радиальный поток. Она способствует лишь размыванию берегов и износу рельсов, т.к. для этого важен сам факт силового контакта берегов с водой, а рельсов с поездом.
А вот закручивание воздушных вихрей и воды в воронках осуществляет не сила Кориолиса, одинаковая по всей длине потока, а разная скорость точек потока в зависимости от широты местности. Причём невозмущённые массы вообще не испытывают никаких закручивающих сил, т.к. они равномерно вращаются вместе с Землёй относительно одной и той же оси вращения, проходящей через полюса Земли. Только «оторвавшись» по каким–либо причинам от Земли, поток воздуха или воды может начать самостоятельное вращение относительно своего собственного центра вращения по принципу вращения брошенной палки после её отрыва от руки. При этом направление вращения задаёт бросающая рука.
То же самое происходит и с потоками воды или воздуха, оторвавшимися от бросающей их руки – подстилающейся поверхности Земли под потоком. В северном полушарии (СП) эти потоки будут вращаться, как и сама Земля против часовой стрелки, т.е. влево, если смотреть сверху или со стороны северного полюса. Соответственно в Южном полушарии (ЮП) со стороны южного полюса вращение будет наблюдаться по часовой стрелке.
Связь с задающей вращение поверхностью Земли ослабляется с увеличением расстояния до неё. Поэтому закручивание воздушных вихрей начинается на высоте, а закручивание воды у поверхности. В мелких ваннах, в которых проводят опыты по закручиванию воды, связь с ванной ослабляется за счёт слива нижнего слоя воды. Естественно, что при освобождении связи с задающей вращение Землёй оторвавшиеся массы начинают вращаться самостоятельно в прежнем направлении, но уже относительно своих центров вращения. Причём это вращение не зависит от движения масс относительно меридиана. Вращаться могут и изначально неподвижные относительно подстилающейся поверхности массы. Естественно, что при этом никакие силы Кориолиса на неподвижные в радиальном отношении массы не действуют.
Автор указанной выше статьи, на наш взгляд, неправильно указывает стороны вращения воронок с точки зрения задающего вращения Земли. А его комментатор не правильно указывает на направление самого вращения Земли, которая вращается с запада на восток, а не вправо со стороны северного полюса, как говорит комментатор, т.е. фактически с востока на запад. Зато он, на наш взгляд, правильно отмечает направление вращения воды и вихрей, связывая его с отталкивающими силами Кориолиса. Однако силы Кориолиса, не создающие момент сил здесь не причём. К тому же фиктивные силы Кориолиса не могут ничего отталкивать. Отталкивать массы по направлению вращения Земли могут только поддерживающие силы, которые действуют со стороны собственных масс Земли.
Итак, силы Кориолиса непричастны к образованию основных вихрей – циклонов и антициклонов (за исключением отдельных частных случаев и то косвенно). Осталось уточнить про крутые берега и изношенные рельсы, к которым сила Кориолиса уж точно причастна. Практически у всех авторов в этом вопросе наблюдается полная путаница. Правые и левые рельсы ж.д. пути, а так же берега рек определяются по ходу движения поезда и воды в реке соответственно. Следовательно, в зависимости от направления движения поезда и рек их правые стороны в любом полушарии могут стать левыми и наоборот. Поэтому правильнее говорить, что в обоих полушариях изнашиваются не правые, а восточные рельсы, а у рек круче не правые, а восточные берега, независимо от направления потока, т.к. запад и восток для всех полушарий одинаковые.
В версию образования воздушных вихрей за счёт вращения Земли, т.е. в сторону её вращения без какого–либо участия сил Кориолиса, хорошо вписываются только циклоны, в центре которых давление пониженное (Н), а направление их вращения в северном полушарии (СП) левое (против часовой стрелки). В антициклоне казалось бы должно происходить всё то же самое. Мы полагаем, что на начальном этапе образования антициклона всё именно так и происходит. Но в дальнейшем он, по–видимому, перекручивается в обратную сторону против задающего вращения Земли, т.е. в СП вправо (по часовой стрелке). Поясним это на рисунке (см. Рис. 1).
На наш взгляд перекручивание циклона в антициклон связано с размерами оторвавшейся области воздушных масс. Как мы отмечали выше, скорость концов палки в свободном полёте постепенно выравнивается относительно её центра масс. Если отрывается достаточно компактная область с пониженным давлением в центре, образуется обычный циклон с одинаковой скоростью вращения его диаметрально противоположных областей. Даже если давление в оторвавшейся области высокое, она в любом случае закручивается по вращению Земли. При этом за счёт центробежной силы высокое давление в центральной области такого вихря постепенно понижается. Этому же способствуют растекающиеся от центра воздушные массы за счёт изначального высокого давления в центре такого вихря. В результате образуется обычный циклон с пониженным давлением в центре.
Если же начинает закручиваться в сторону вращения Земли большая область оторвавшихся воздушных масс, она может перекрутиться в антициклон. Происходит это следующим образом. Сначала вся область закручивается, как обычный циклон. Но большая «палка», равная диаметру оторвавшейся области, разделяется на две «палки», равные радиусу оторвавшейся области (см. Рис. 1). При этом каждая малая «палка» начинает закручиваться самостоятельно, в результате чего внутренние концы малых палок движутся к центру с тангенциальной скоростью, противоположной скорости внешних масс.
Таким образом, вблизи центра вихрь перекручивается в сторону, противоположную вращению Земли и изначального вращения наружного вихря.
При этом давление потоков внешней части сложного вихря, которые продолжают перекручиваться в антициклон, не позволяет центробежным силам сильно расширить внутренний вихрь, как это происходит в обычном циклоне, и вновь создать в центре пониженное давление. Получается антициклон. Циклон же умеренных размеров не перекручивается в антициклон, т.к. в связи с относительно малым расстоянием от периферии до центра его малые палки–потоки не успевают развернуться относительно центра в обратную сторону. При этом они устремляются к центру с тангенциальной скоростью, совпадающей по направлению с закручиванием основных масс.
Из приведённого механизма образования циклонов из антициклонов следует, что «антициклоны как бы преследуют циклоны», как выражается официальная наука. Трудно сказать кто кого преследует, но, как показано выше, из циклона может получиться антициклон. Не исключено, что слабый антициклон может вновь перекрутиться в циклон за счёт своих внешних масс при их постепенном сжатии.
Возможно мы в чём–то и ошибаемся, но на наш взгляд это единственное разумное объяснение образования левых и правых вихрей в атмосфере. Силы Кориолиса на это не способны.
Читателям этого материала особенно тем, кто ищет официальные научные данные о вихрях воды и воздуха на Земле, следует помнить, что это только наше частное мнение. Поэтому следует подойти к нему аналитически. Хотя из официальной науки вы не почерпнёте на эту тему ничего вразумительного, кроме внешнего описания явления и краткого упоминания о якобы причастности к этому явлению сил Кориолиса. Конкретного механизма действия сил Кориолиса при образовании циклонов и антициклонов в официальных материалах нет, как собственно нет и объяснения механизма явления Кориолиса в самой классической физике. Хотя не оставляет сомнений, что кинематика вихрей изучена наукой достаточно подробно.
( Для того чтобы показать традиционную абсурдность официального изложения, мы прокомментируем некоторые моменты синим уменьшенным шрифтом в скобках ).
«Чтобы понять, что такое антициклон, нужно понимать, что такое циклон. Это область пониженного давления в атмосфере с минимальным показателем в центре. Его порождают два воздушных потока, имеющие разную температуру. Очень благоприятные условия для их образования создаются в фронтах. В циклоне воздух движется от его краев, где давление более высокое, к центру с низким давлением. В центре воздух будто бы выбрасывается вверх, что дает возможность образованию восходящих потоков.
По тому, как движется воздух в циклоне, легко можно определить, в каком именно полушарии он образовался. Если его направление совпадает с движением часовой стрелке, то это определенно Южное полушарие, если же против это Северное полушарие. Циклоны провоцируют такие погодные явления, как скопление облачных масс, сильные осадки, ветер и перепады температуры.
Область повышенного давления в атмосфере с максимумом в центре – это есть антициклон. Давление на его краях более низкое, что позволяет воздуху устремляться от центра к периферии. Воздух, находящийся в центре, постоянно спускается и расходится к краям антициклона. Так образуются нисходящие потоки.
Антициклон является противоположностью циклону еще и потому, что в Северном полушарии он следует за часовой стрелкой, в Южном идет против нее.
Перечитав всю вышеизложенную информацию, с уверенностью можно сказать, что такое антициклон. ( Непонятно, а где же роль сил Кориолиса в этом описании? Без описания роли сил Кориолиса или другой причины образования циклона и антициклона никакой уверенности в том, что вы знаете, что такое антициклон не может быть в принципе!)
Интересным свойством антициклонов умеренных широт является то, что они как бы преследуют циклоны. В таком случае малоподвижное состояние вполне характеризует антициклон. Погода, образуемая этим вихрем, малооблачная и сухая. Ветра практически не наблюдается.
Циклоны и антициклоны. Сходства и отличия
Для того чтобы разобраться лучше, что такое антициклон и циклон, нужно сравнить их. Определения и главные аспекты этих явлений мы выяснили. Остается открытым вопрос о том, чем отличаются циклоны и антициклоны. Таблица покажет эту разницу более четко.
Правда ли, что в Северном и Южном полушариях вода при стоке в раковину закручивается в разных направлениях?
Согласно распространённому мнению, направление закручивания воды в раковине зависит от того, в каком полушарии она находится. Эффект связывают с вращением Земли и действием силы Кориолиса. Мы проверили, так ли это.
Если эффект действительно имеет место, то можно определить, пересекла ли раковина экватор, непрерывно наблюдая за водой в воронке. В советской литературе эта идея получила популярность после того, как академик Дмитрий Граве в журнале «Хочу всё знать» (№ 4, 1931) написал:
«Если выпускать из резервуара воду при помощи отверстия на дне его, то образуется воронкообразный вихрь, который в Северном полушарии вращается в сторону, обратную движению часовой стрелки; в Южном же полушарии вращение идет в другую сторону. Каждый читатель сам может проверить справедливость сказанного, выпуская воду из ванны. Чтобы лучше заметить направление вращения вихревой воронки, можно бросить на нее маленькие обрывки бумаги. Получается эффектный опыт, доказывающий вращение Земли, произведенный самыми простыми средствами в домашней обстановке».
Публикацией заинтересовался известный популяризатор науки Яков Перельман, который в 1932 году организовал эксперимент при содействии своих читателей. Каждый должен был проследить десяток раз, в каком направлении вращается воронка при вытекании воды из ванны, умывальника и подобных резервуаров, и прислать Перельману сообщение, сколько раз наблюдалось вращение против часовой стрелки. Как заключил Перельман, «преобладания вращения в сторону против часовой стрелки замечено не было».
Западному обывателю этот эффект известен во многом благодаря многосерийному документальному фильму «От полюса до полюса с Майклом Пейлином» (1992). В нём некий житель кенийского города Наньюки пытался продемонстрировать фокус по разные стороны экватора. Как ни странно, направление циркуляции оказалось противоположным выкладкам академика Граве, но неподкованных зрителей это не смутило: напротив, миллионы людей поверили в замечательное свойство.
Возникает вопрос: если налицо такая нестабильность экспериментальных результатов, то верна ли сама теория? Во-первых, познакомимся ближе с понятием силы Кориолиса. Это инерционная сила, которая действует на материальную точку при движении относительно вращающейся системы отсчёта (в данном случае планеты Земля). Она заставляет движущиеся вдоль поверхности Земли объекты отклоняться вправо в Северном полушарии и влево — в Южном. В случае стекания по наклонной вогнутой поверхности это и даст движение против и по часовой стрелке соответственно.
Но есть очень важный фактор — степень влияния этой силы. А она зависит, с одной стороны, от формы воронки и смежных поверхностей, с другой — от параметров потока и широты (так называемое число Россби). Иными словами, чем меньше масштабы потока и чем ближе к экватору мы находимся, тем микроскопичнее влияние силы Кориолиса на фоне других сил. Поэтому не стоит надеяться на стабильную работу эффекта на экваторе. Как и вообще на успех в условиях обычной ванной.
Зато в лабораторных экспериментах с соблюдением максимального числа условий (симметричность формы сосуда, отстой жидкости перед сливом, почти полное отсутствие движения воздуха, удалённость от экватора) нередко всё работало корректно: в обоих полушариях вода получала нужное вращение. Вот пример классического эксперимента, проведённого в США ещё в 1960-е годы:
Как видим, закручивание воды в зависимости от полушария работает только в особых условиях. Этот эффект практически полностью оторван от жизни. Поэтому, несмотря на корректную теоретическую базу, в произвольном случае подобные эксперименты практически всегда будут обречены на неудачу.