放⽔⼝的漩涡是因为科⽒⼒吗?

作者: 和花花

来源: ⼒学科普

发布日期: 2022-08-25 11:17:35

文章探讨了水池放水时形成的漩涡是否由科氏力引起的问题,通过分析科氏力、惯性力等物理概念,得出结论认为漩涡的形成更多是由于水的初始扰动,而非地球自转引起的科氏力。

⼩编在集中隔离住酒店的时候,把⾐服挂在了消防喷淋头上,结果把中间的玻璃管碰坏了,⽔洒了⼀房间。在清理房间中⽔的时候,好奇的⼩编发现:⽔池⾥的⽔快放完后总是会形成⼀个漩涡状,⽽且似乎总是逆时针的。⼩编由此想到了⾼中地理学过的地转偏向⼒,说的是指地球⾃转⽽使地球表⾯运动物体受到与其运动⽅向相垂直的⼒,在北半球会偏向运动⽅向的右边,在南半球会偏向运动⽅向的左边,似乎可以很好地解释逆时针的现象。

但是回家又看了⼏个⽔池却发现也有顺时针的,并向友⼈求证,友⼈听了决定好好分析⼀下。

虽然在初中的时候,刚讲“惯性”这⼀概念的时候,我们常常咬⽂嚼字,称其为物体的固有属性,不能表述为“受到惯性⼒的作⽤”。但是随着认识的深⼊,在我们想要⽤静⼒学的观点去研究动⼒学问题时,达朗贝尔原理出现了,引⼊了虚拟的惯性⼒,形式上似乎只是把⽜顿第⼆定律进⾏移项写成了⼒平衡形式,其中深意则是三⾔两语不能概之。

惯性⼒我们可以简要的分为平动惯性⼒和转动惯性⼒两类。其中第⼀类很常见也⽐较简单,在坐车的时候起步会感受到座椅的推背感,刹车则会前倾,这类惯性⼒⽅向与平动加速度⽅向是相反的。转动惯性⼒则稍微复杂⼀些,可以进⼀步细分为惯性离⼼⼒和科⾥奥利⼒,惯性离⼼⼒我们也常常能感受到,在车转弯时会感觉朝着外圈甩出去。在惯性系看⼀个匀速圆周运动的物体时,我们知道必须有⼒提供向⼼⼒才能满⾜物体的运动状态。

⽽在物体本⾝的参考系看来,它是静⽌的,因此惯性离⼼⼒顾名思义是⽤来在⾃⾝参考系中平衡向⼼⼒的,⽅向总是“离⼼”的。

⽽转动惯性⼒的第⼆个科⾥奥利⼒则再稍微复杂⼀些,他是由于物体在转动参考系中有相对运动才产⽣的,如果像上⾯这个例⼦以匀速圆周运动的物体⾃⼰当参考系是没有科⾥奥利⼒的。

具体推导可以利⽤动系和定系的相对运动关系,这⾥给出表达式:其⼤⼩和⽅向由相对运动速度⽮量叉乘转动参考系的⾓速度⽮量决定,需要说明的是他来源于两个部分,⼀⽅⾯是转动系相对定系转动导致的相对速度⽅向变化⽽产⽣的附加加速度,另⼀⽅⾯是转动系转动造成的因动点与当下牵连点相对速度导致的动点在刚体上的牵连点变化⽽产⽣的附加加速度。⽽⾼中地理我们学到的地转偏向⼒就是科⾥奥利⼒在沿地球表⾯⽅向的⼀个分⼒。

接下来就是分析在⽔池放⽔中科⽒加速度到底是多⼤了,地球转⼀周是24⼩时,则其⾃转⾓速度约为。⽽⽔流速度我们知道⼀定是⼩于1m/s的,因此科⽒加速度实际上只有。

该值与重⼒加速度相⽐⼏乎可以忽略不记,因此很难说逆时针的漩涡是由于地球⾃转⽽造成的,冬冬更偏向于是⽔池⾥的⽔的初始扰动造成的,当⽔距放⽔⼜较远时就已经存在轻微由于扰动存在的旋转,⽽随着原来越靠近放⽔⼜,旋转半径越来越⼩,在⾓动量守恒的条件下转动速度也越来越快。

虽然在放⽔漩涡这个问题上并不是我们想象的科⽒⼒,但是在其他领域如河道的⼀边往往⽐另⼀边冲刷得更厉害,信风带及洋流的形成,热带⽓旋等确实是科⽒⼒在其中起作⽤。此外在地球上的摆动也会受到地球⾃转的影响。只要摆⾯⽅向与地球⾃转的⾓速度⽅向存在⼀定的夹⾓,摆⾯就会受到科⾥奥利⼒的影响,⽽产⽣⼀个与地球⾃转⽅向相反的扭矩,从⽽使得摆⾯发⽣转动。

1851年法国物理学家傅科预⾔了这种现象的存在,并且以实验证明了这种现象,他⽤⼀根长67⽶的钢丝绳和⼀枚27千克的⾦属球组成⼀个单摆,在摆垂下镶嵌了⼀个指针,将这个巨⼤的单摆悬挂在教堂穹顶之上,实验证实了在北半球摆⾯会缓缓向右旋转(傅科摆随地球⾃转)。由于傅科⾸先提出并完成了这⼀实验,因⽽实验被命名为傅科摆实验。

⼩编发现竟然做⼀下量级估计就可以避免掉很多复杂繁琐的实验,不禁也萌⽣了转⾏去学⼒学的想法。

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