Сила Кориолиса. Эксперименты с водой на экваторе
Комментирует к.х.н. О.В. Мосин
Сила Кориолиса, названная по имени французского ученого Гюстава Кориолиса, открывшего ее в 1833 г — одна из инерциальных сил, действующих в неинерциальной системе отсчета из-за вращения тела, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения. Причина появления силы Кориолиса заключается в поворотном ускорении. В инерциальных системах отсчета в соответствии с законом инерции каждое тело движется по прямой и с постоянной скоростью. При равномерном движении тела вдоль некоторого вращающегося радиуса необходимо ускорение, так как чем дальше тело от центра, тем должна быть больше касательная скорость вращения. Поэтому при рассмотрении вращающейся системы отсчёта, сила Кориолиса будет пытаться сместить тело с заданного радиуса. При этом, если вращение происходит по часовой стрелке, то двигающееся от центра вращения тело будет стремиться сойти с радиуса влево. Если вращение происходит против часовой стрелки — то вправо.
Рис. Возникновение силы Кориолиса
Результат действия силы Кориолиса будет максимальным при продольном перемещении объекта по отношению к вращению. На Земле это будет при движении по меридиану, при этом тело отклоняется вправо при движении с севера на юг и влево при движении с юга на север. Для этого явления имеется причина: вращение Земли на восток.
Экспериментально сила Кориолиса, вызванная вращением Земли относительно своей оси, может быть замечена при наблюдении за движением маятника Фуко. Кроме того, сила Кориолиса проявляется в глобальных природных процессах. Наша планета вращается вокруг своей оси, и все тела, которые перемещаются по её поверхности, испытывают влияние этого вращения. На человека, идущего со скоростью приблизительно 5 км/ч, сила Кориолиса действует настолько незначительно, что он её не замечает. Зато на большие массы воды в реках или воздушные потоки она оказывает существенное влияние. В результате в северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в Северном полушарии более крутые, т.к. их подмывает вода под действием силы Кориолиса. В Южном полушарии всё происходит наоборот и подмываются левые берега. Данный факт объясняется совместным действием силы Кориолиса и силы трения, создающими вращательное движение масс воды вокруг оси русла, которое вызывает перенос вещества между берегами. Сила Кориолиса ответственна также и за вращение циклонов и антициклонов – вихревых движений воздуха с низким и высоким давлениями в центре, движущимися по часовой стрелке в Северном и против часовой стрелки в Южном полушариях. Это происходит из-за того, что обусловленная вращением Земли сила Кориолиса в Северном полушарии приводит к повороту движущегося потока вправо, а в Южном — влево. Для циклонов характерно обратное направление ветров.
Еще одно проявление силы Кориолиса заключается в изнашивании рельс в Северном и Южном полушариях. Если бы 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.
Силу Кориолиса также необходимо учитывать при рассмотрении планетарных движений воды в океане. Она является причиной возникновения гироскопических волн, в которых молекулы воды движутся по окружности.
И наконец, при идеальных условиях сила Кориолиса определяет направление закручивания воды при сливе в раковине. Хотя на самом деле сила Кориолиса действует противоположно в двух полушариях, направление закручивания воды в сливной воронке лишь частично определяется этим эффектом. Дело в том, что вода долгое время течет по водопроводным трубам, при этом в потоке воды образуются невидимые течения, которые продолжают закручивать струю воды, когда она льется в раковину. Когда вода уходит в сливное отверстие также могут создаваться подобные течения. Именно они определяют направление движения воды в воронке, поскольку силы Кориолиса оказываются гораздо слабее этих течений. Таким образом, в обычной жизни направление закручивания воды в сливной воронке в северном и южном полушариях больше зависит от конфигурации канализационной системы, чем от действия природных сил. Поэтому, чтобы точно воспроизвести этот результат, необходимо создать идеальные условия. Экспериментаторы взяли идеально симметричную раковину сферической формы, устранили канализационные трубы, позволив воде свободно проходить сквозь сливное отверстие, оборудовали сливное отверстие автоматической заслонкой, которая открывалась лишь после того, как в воде успокаивались любые остаточные волнения, — и смогли зафиксировать эффект Кориолиса на практике.
Комментарий от Vodolei
Все видели? Во лапшу вешает!
1. Понятно, что 2 метра и даже 20 или 200 метров севернее или южнее экватора точно не могут сыграть роль, в какую сторону будет закручиваться вода при сливе.
2. Парень льёт воду сначала на правый край, так что вода закручивается ПРОТИВ часовой стрелки, затем после того как перейдёт — льёт воду на левый край, так что вода уже с самого начала закручивается ПО часовой стрелке.
3. Маятник Фуко и вращение Земли:
4. В северном полушарии русла рек смещаются в сторону правого берега независимо от того, течет река на север или на юг, поэтому правый берег круче левого.
Почему у рек в северном полушарии правый берег круче левого? См. схему образования силы Кориолиса:
Подобные рассуждения справедливы и для рек, текущих с севера на юг.
Это относится и к рекам в южном полушарии, но там левый берег круче правого.
5. Почему вода закручивается в разные стороны южнее и севернее экватора? Представим себе, что ёмкость с водой установлена на северном или южном полюсе, и будет вытекать достаточно долго. Вращения Земли мы не замечаем, мы будем считать, что это вода закручивается при вытекании. Эффект будет заметен и в средних широтах, хотя и меньше будет выражен.
Источник
Почему вода стекает по часовой стрелке. Тайна раскрыта
Когда мы умываемся или принимаем душ, вода в емкости (раковине или ванной) стекает в отверстие определенным образом. Если вы обратите внимание на этот процесс, то заметите, что вода стекает в трубу всегда по часовой стрелке . Это характерно для любого «стекания» жидкости. Если образовалось завихрение, то оно ориентировано по часовой стрелке.
В старых добрых Секретных материалах агент Малдер определял наличие аномальной активности, наблюдая за стеканием воды. Он открывал воду в ванной и смотрел, в какую сторону закручивается воронка на стоке. В некоторых случаях наблюдалось стекание воды против часовой стрелки. Агент сразу же делал вывод, что находится в аномальной зоне.
С одной стороны это могло действительно характеризовать пространство как нестандартную аномальную зону. С другой — можно организовать подобную схему и без аномальной зоны. Правда процесс будет уже принудительным.
В физике явление природы, которое мы наблюдаем при стоке воды называется вихревое движение .
Все процессы, связанные с подобной физической моделью, будут содержать данный вид движения. Скажем, если вода в реке стекает в пространство под дном, то там тоже будет воронка, вращающаяся по часовой стрелке.
Появление вращения воды по часовой стрелке и формирование вихревой воронки связано с силой Кориолиса . Именно эта сила закручивает вихри в рассматриваемых системах на Земле и формирует циклоны. Она появляется в результате вращения нашей планеты и является одной из инерциальных сил .
Если тело движется по поверхности земли, то в северном полушарии оно все время отклоняется вправо, а в южном — влево.
Получается, что если объяснить этот процесс простым языком, то мы имеем дело с волчком, на который наливаем воду. Вращение волчка передаётся и воде, а она в свою очередь стекает вихрем в соответствии с направлением движения волчка.
Может возникнуть вопрос, почему же тогда вода не закручивается вихрем если она просто налита в воду или стакан. Этот вопрос справедливый, поскольку по ощущениям такое действительно должно произойти. Но инертность рассматриваемой системы (в данном случае — стакана воды) не позволяет ей раскрутиться и сформировать вихрь. Это был бы совсем иной физической процесс, нежели мы разбираем. У нас имеется движущаяся система. Вода стекает в сток и перемещается.
По определению, сила Кориолиса действует на тело только тогда, когда неинерциальная система отсчета вращается, а тело движется относительно нее.
Значит, когда мы рассматриваем неподвижную воду в стакане сила Кориолиса не оказывает никакого воздействия. Она влияет только на движущиеся предметы и проявляет себя только в эти моменты. Такова её физическая сущность. Кстати говоря, на данное явление стоит обращать внимание при построении систем навигации. Ведь корабль, который плывёт по морю прямо, даже в отсутствии внешних воздействий сместится относительно первоначального курса в результате влияние силы Кориолиса.
Сила Кориолиса оказывает на вихрь не столь сильное влияние. Так, если раскрутить воду в ванной при стекании в обратную сторону, скажем сформировать вихрь рукой, то вода будет стекать уже против часовой стрелки. Происходить это будет до тех пор, пока сила искусственного закручивания не окажется пересиленной процессом закручивания Кориолиса.
Но изменить направление закручивания вихря при стекании можно не только приложив физическую силу. Поскольку вектор силы Кориолиса меняется вместе с широтой, то в южном полушарии вода будет закручиваться против часовой стрелки без всяких аномальных зон . На экваторе и полюсах никакого закручивания не происходит вовсе! Именно поэтому вода может стекать, закручиваясь как по часовой, так и против часовой стрелки.
Источник
Занимательная геофизика: необычные эксперименты на экваторе
Планета вдоль и поперек изрезана линиями: границами стран и континентов, параллелями и меридианами, дорогами и коммуникациями. Но есть среди них одна, удивительная практически во всех отношениях, — это экватор. Только здесь можно одновременно стоять одной ногой в Северном, а другой в Южном полушарии.
Если вам хочется побывать на экваторе, запланируйте поездку в Эквадор: само название этой латиноамериканской страны переводится с испанского как «экватор». Эквадорцы очень гордятся проходящей по территории их страны линии. Они обустроили на ней целых два музея: Середины мира (Mitad del Mundo) и Интиньян (Intiñán) . Здесь вы можете увидеть обелиск экватору, посетить планетарий и этнографический музей, побродить по макету колониального Кито, а также поучаствовать в занимательных экспериментах. И конечно, именно здесь находится величественное здание штаб-квартиры Союза южноамериканских наций (UNASUR).
Читайте также
Экваториальная «диета»
Если вас не устраивает ваш вес, но нет желания менять образ жизни, попробуйте экваториальную «диету»: на линии экватора вы будете весить меньше, не прилагая никаких дополнительных усилий!
Вес любого предмета минимален на экваторе и максимален на полюсах. Разница между весом тела на экваторе и на полюсах составляет приблизительно 0,5%. Это объясняется тем, что Земля вращается вокруг своей оси и имеет форму эллипсоида (расстояние между центром Земли и полюсами на 21,3 км меньше, чем между центром Земли и экватором). В результате на экваторе минимальна сила тяжести и максимальна центробежная сила, причем оба фактора приводят к «снижению» веса. В музее Середины мира вы можете взвеситься и увидеть, что стали немного легче, а значит, можно подналечь на энсебольядо (знаменитый эквадорский рыбный суп с луком).
Эксперименты с водой
В музее Интиньян, название которого означает «путь солнца» на языке индейцев кечуа, проводят занимательные эксперименты с водой. Сначала раковину с водой ставят прямо на линию экватора. Когда гид вынимает пробку, вода начинает уходить вниз, не образуя воронки. Затем то же самое проделывается в нескольких метрах к северу от экватора — вода закручивается в воронку против часовой стрелки, к югу от экватора — по часовой. Таким образом якобы демонстрируется эффект Кориолиса, который связан с вращением Земли вокруг своей оси.
Этот эффект можно проиллюстрировать с помощью обычного глобуса: если Москва на глобусе вращается против часовой стрелки относительно Северного полюса, то одновременно с ней Буэнос-Айрес будет вращаться по часовой стрелке относительно Южного полюса.
В реальном мире действие силы Кориолиса можно заметить на двухколейных железных дорогах, по которым поезда движутся только в одном направлении. В Северном полушарии правые по ходу движения рельсы изнашиваются сильнее, чем левые, а в Южном больше изнашиваются левые рельсы. На экваторе эффект отсутствует, поскольку сила Кориолиса здесь равна нулю.
Эффект также заметен в глобальном масштабе: при наблюдениях за движением воздуха в атмосфере и воды в океане. Ветры и течения, как правило, отклоняются вправо в Северном полушарии, и влево в Южном. В результате правые берега рек в Северном полушарии более крутые, поскольку их подмывает вода под действием эффекта Кориолиса. В Южном полушарии все происходит с точностью до наоборот. Данный эффект объясняет вращение циклонов и антициклонов, а также отклонение ветров при циркуляции атмосферы.
Популярно мнение, что эффект Кориолиса влияет на поведение воды в бытовых условиях. В частности эта идея высказывается в эпизоде «Барт против Австралии» (Bart vs. Australia) мультсериала «Симпсоны». Тем не менее этот факт не подтверждается научными исследованиями. В бытовых условиях сила Кориолиса является ничтожно малой и не определяет поведение воды в сливе ванны или раковины. При этом на нее влияет множество других факторов, таких как форма и наклон сосуда, угол падения воды, ее движение и так далее.
Сертификат «яйцеустановщика»
Еще одно популярное развлечение на линии экватора — вертикально установить яйцо на шляпку гвоздя. Немного ловкости рук и хорошее чувство равновесия помогут вам это сделать и получить сертификат «яйцеустановщика». Само по себе это занятие достаточно забавно, а знание языка делает его еще и двусмысленным. Дело в том, что слово huevo по-испански означает не только «яйцо», но и мужскую половую железу. Так что сальные шуточки или хотя бы ироничные взгляды в данном случае практически неизбежны. Вообще, испаноязычные страны отличаются обилием подобного юмора.
Несмотря на шутливую атмосферу, при постановке яйца на гвоздь возникает закономерный вопрос: при чем тут экватор? Как показывает практика, яйцо можно установить в любом месте. Возможно, на линии экватора это немного проще, хотя прямых научных доказательств этому не существует.
Интересно, что с этим «ритуалом» связано много всяких заблуждений. Например, существует забавный миф, что яйцо можно поставить вертикально только в дни весеннего и осеннего равноденствия. И это действительно так, но с небольшой поправкой: яйцо можно поставить вертикально и во все остальные дни года!
История Середины мира
Исследования доказывают, что еще индейские племена, населявшие Эквадор задолго до открытия Америки, подозревали, что живут в зоне экватора. Они внимательно следили за положением солнца, равноденствиями и солнцестояниями. По солнцу они определяли не только время, но и погоду, а соответственно, и посевной календарь.
Новая история линии экватора и строительство обелиска «Середина мира» связываются с франко-испанской научной экспедицией XVIII века. Целью экспедиции было найти экватор и провести на нем исследования, чтобы определить точную форму Земли. В то время во Французской академии наук возник спор между теми, кто считал Землю сферой, вытянутой у полюсов (как лимон), и теми, кто считал Землю эллипсоидом — сферой, растянутой у экватора и сжатой у полюсов (как мандарин).
Источник
