一个司空见惯的自然现象当我们放掉水池里的水时注意到下水口会产生一个漩涡或许大部分人在看到这样的现象后并不会有什么进一步的联想但往往自然的奥妙就藏在这些不引人注意的地方
这个奥妙之处就在于漩涡的方向漩涡是以顺时针还是逆时针旋转呢为什么会这样呢
关于这个问题应该有不少人脱口而出漩涡的方向与地球自转有关系北半球的漩涡是逆时针旋转以北极上空的视角俯视南半球的漩涡是顺时针旋转南极上空视角俯视
如果再问为什么会这样答复就是水流受地转偏向力影响
这样的回答乍一看似乎很有道理比如小编以前就是这个解释坚定的支持者
印象还是非常深刻的当时上初二才开设物理课物理老师在头几节课上都是给我们讲一些生活中的物理现象其中问到了一个问题当我们将水池里的水排掉时会发现在排水口出现了一个漩涡那么漩涡的方向是由什么决定的呢
当时我脱口而出漩涡方向和地球自转方向相关北半球逆时针转
想起来那时候我有一个良好的习惯就是每周都会去图书馆借书看大概是从小学四年级开始的这个知识点当时就是从科普书上看来的不过后来知道了科普书也不是全部都是对的但这种每周借书的习惯后来逐渐被去图书馆的电子阅览室所取代了一部分毕竟电脑游戏它不香吗虽然名义上是上网查资料言归正传当时我回答完后老师竟然认同了我的观点并不是说老师水平不行只能说关于这一点老师可能也没多想就照着一些书的说法来讲了毕竟当时我也在物理习题册上遇到过这类说法而当我意识到水涡的旋转方向与地球自转无关时已经是到了中学毕业的时候了我无意中在网上翻到了一个视频是台湾省的一档科普节目做了很多对比实验最后结论是水涡的旋转方向与水流的初始角动量以及水池的构造有关如果将水静置很长时间那么就不会有明显的漩涡出现
写这篇文章的时候也想重新找一下那个节目可惜我已经忘了名称找了好一会儿功夫还是没结果
所以我就用杭州科协的一档节目好奇实验室的相关内容来进行一个简单的介绍实验人员在南北两个半球做了实验南半球的实验员估计是节目邀请帮忙的粉丝下面是在北半球做的实验截图我们可以看到在多次实验中并不是每次都是按照逆时针方向进行旋转的而在南半球也同样是这样的情况为了对这样的现象进行解释实验员请教了相关专家给出的答复是漩涡的方向主要受初始动力以及水池结构的影响而地球自转导致的地转偏向力影响十分有限并不是现象的核心原因
关于这一点在台湾省的那档节目中实验员做了几次这样的实验他们将水龙头朝一侧微微倾斜缓慢放水然后稍微静置一段时间之后开始排水结果发现漩涡的方向取决于一开始水龙头的朝向也就是水流的初始角动量最后好奇实验室的实验员又亲自用一个大圆盆做了一个水池放满水之后静置了一个小时并且放了一片树叶来判断水是否静止最后滴入颜料并从圆盘底部拔掉塞子观察排水口情况
结果发现排水口处的水流都是直流而下没有任何漩涡产生的迹象
由此可见影响水涡方向的主要因素的确是水的初始角动量以及水池的结构
那么为什么会有用地转偏向力来解释漩涡的说法呢
首先我们需要知道什么是地转偏向力估计很多朋友最早接触这个概念应该是在地理课上老师在讲到大气环流这个部分的时候会提到地转偏向力实际上这个所谓的地转偏向力其实并不是一个真实存在的力它是一个存在于非惯性系的惯性力
非惯性系视角下的小球运动更宽泛的称呼应该是科氏力地转偏向力只是科氏力的一个分力是科氏力在地球表面水平方向上的体现地转偏向力的方向与物体运动方向相垂直也就是只改变运动方向却不改变运动速率直观的理解可以见下图红色是物体实际运动路径紫色是物体原定的运动路径同时可以注意到赤道方向的运动物体它们并不受地转偏向力的影响不过这并不意味着在赤道上运动的物体所受科氏力为零随着纬度的增加运动物体所受地转偏向力也是逐渐增大的其数值计算按照F2mvsinm是物体质量v是运动速率是角速率是纬度按照这个公式我们可以对水池中的运动水流进行一个计算假设水池的半径为30公分水流从水池边缘向中心排水口出发径向速率为每秒2米纬度就按60度算角速率是地球的角速率7292x10负5方rads算那么水流在达到排水口时所产生的横向位移仅仅有00028毫米左右对比我们平常看到的漩涡很明显仅仅依靠地转偏向力是不可能产生肉眼可察觉的漩涡
虽然地转偏向力对于水池漩涡的产生几乎毫无帮助但对于大尺度长时间的运动影响还是很明显的比如台风的形成北半球的台风是逆时针旋转而南半球的台风是顺时针旋转的由于赤道附近的地转偏向力很弱因此台风不会在靠近赤道的地方形成北半球台风南半球台风总的来说我们日常生活中见到的水流漩涡其漩涡方向几乎都是由环境因素或初始动力造成的
至于地球自转所带来的地转偏向力的影响可以直接忽视因此说什么由于地转偏向力导致北半球水流漩涡逆时针南半球顺时针都是谣言而已
本篇文章的内容到此结束谢谢各位阅读
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