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(gè)更為普遍的“力”之中的一個(gè)特例,這個(gè)“力”的大名就叫做科里奧利力。這其實(shí)不是一個(gè)真正的力,物理學(xué)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(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的參考系中就會(huì)出現(xiàn)科里奧利力,只要是在這個(gè)參考系中運(yùn)動(dòng)的物體都會(huì)好像受到一股垂直于運(yùn)動(dòng)方向的力,從而偏離開它的軌道。
科里奧利力專愛找運(yùn)動(dòng)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(gè)組合),而v則是物體在這個(gè)參考系中運(yùn)動(dòng)的速度向量。這個(gè)乘號(hào)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(jì)的乘法,通常叫做叉乘。而Fic就是這個(gè)物體在這個(gè)參考系中受到的科里奧利力。
我們向來認(rèn)為地球是不動(dòng)的,但是地球其實(shí)在一刻不停地自轉(zhuǎn),雖然轉(zhuǎn)得不快,24小時(shí)才轉(zhuǎn)一周,但它的確在轉(zhuǎn)動(dòng)。所以地球其實(shí)是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)的非慣性系,任何運(yùn)動(dòng)的物體在地球這個(gè)參考系中都會(huì)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(gè)向量大約是從地下指向天空的,于是一切平行地面運(yùn)動(dòng)的物體受到一個(gè)向它們運(yùn)動(dòng)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(gè)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(yùn)動(dòng)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(huì)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(dá)中心的時(shí)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(shí)看見的漩渦了。
實(shí)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(jì)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(gè)方向的漩渦。而對于一般的排水口,由于結(jié)構(gòu),有時(shí)候它們會(huì)偏好形成某個(gè)方向的漩渦,而更多的時(shí)候是兩種旋轉(zhuǎn)方向的漩渦都會(huì)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。