馬桶抽水的漩渦是地轉(zhuǎn)偏向力造成的嗎?
志勝桑
不是
地轉(zhuǎn)偏向力對于馬桶抽水的影響非常小,根本就產(chǎn)生不出什么看得見摸得著的效應(yīng)。是器具的形狀更大的影響了水流的方向。
地轉(zhuǎn)偏向力,是一個更為普遍的“力”之中的一個特例,這個“力”的大名就叫做科里奧利力。這其實不是一個真正的力,物理學家們把它稱作一種慣性力,也就是說是由物體的慣性產(chǎn)生的力。在一個轉(zhuǎn)動的參考系中就會出現(xiàn)科里奧利力,只要是在這個參考系中運動的物體都會好像受到一股垂直于運動方向的力,從而偏離開它的軌道。
科里奧利力專愛找運動物體的麻煩。它的公式是:Fic=-2ω×mv。在這里,m是物體的質(zhì)量,ω是指示參考系旋轉(zhuǎn)速度和方向的向量(就是方向和數(shù)量的一個組合),而v則是物體在這個參考系中運動的速度向量。這個乘號也有講究,它不是一般2×3的那種乘法,而是一種特別為向量設(shè)計的乘法,通常叫做叉乘。而Fic就是這個物體在這個參考系中受到的科里奧利力。
我們向來認為地球是不動的,但是地球其實在一刻不停地自轉(zhuǎn),雖然轉(zhuǎn)得不快,24小時才轉(zhuǎn)一周,但它的確在轉(zhuǎn)動。所以地球其實是一個轉(zhuǎn)動的非慣性系,任何運動的物體在地球這個參考系中都會受到科里奧利力的作用。地球的ω的方向是從南極指向北極的,于是在北半球的話這個向量大約是從地下指向天空的,于是一切平行地面運動的物體受到一個向它們運動方向右邊的科里奧利力的作用,于是就向右偏轉(zhuǎn)了。同樣的道理,在南半球這個向量是從天空指向地下的,于是乎一切東西都反轉(zhuǎn)了過來,平行地面運動的物體這回受到的科里奧利力的作用就是向左邊的了。
但是我們只要稍微估算一下就會知道水流漩渦產(chǎn)生的原因是不是科里奧利力了。假設(shè)水流跑得跟劉翔差不多快,也就是10米每秒的樣子,而且速度完全平行于地面。即使這樣,水流受到的由于科里奧利力產(chǎn)生的加速度最多也只不過是0.001米每平方秒。如果馬桶的直徑有1米,而水流是從馬桶邊徑直沖向中心的話,到達中心的時候由于科里奧利力產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)還不到半毫米,根本就產(chǎn)生不出什么看得見摸得著的效應(yīng),更何況是我們平時看見的漩渦了。
實際上,排水口和馬桶們產(chǎn)生漩渦的原因多半是由于它們自身的構(gòu)造問題。有的馬桶就是特地設(shè)計漩渦式?jīng)_水的,這樣的話無論你把它挪到地球上什么地方它都只能產(chǎn)生同一個方向的漩渦。而對于一般的排水口,由于結(jié)構(gòu),有時候它們會偏好形成某個方向的漩渦,而更多的時候是兩種旋轉(zhuǎn)方向的漩渦都會出現(xiàn)。
簡單來說,就是地轉(zhuǎn)偏向力存在,但是大小不足以產(chǎn)生日常生活中看到的水的漩渦。更大的影響是器具本身的不規(guī)則性。