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水流旋涡的产生

日期: 2011-3-3 16:16:34 浏览: 0 来源: 学海网收集整理 作者: 李龙

摘要:由于地球本身的自转,使得在其表面流动的液体和气体(或称为流体),受到“科里奥利力”的作用。当我们使用洗脸池或抽水马桶后放水时,水流通常要形成漩涡从排水孔流出。有理论称,在北半球,水流旋涡是朝逆时针方向的;而在南半球,则是顺时针旋转的。
   关键字: 顺时针 逆时针 地球自转 科里奥利力 气旋
   1.举例分析
   对于水旋涡的方向,有说法是北半球是逆时针,南半球刚好相反,原因是由于地转偏。这个说法是否正确?
   先想想水流漩涡是怎么来的大部分的资料,甚至是物理老师都告诉我们水流漩涡是因为科里奥利力,因此北半球是顺时针流下,南半球是逆时针科里奥利力确实造成了地球上风向的改变,但科里奥利力会影响水流漩涡吗?如果科里奥利力会影响水流漩涡,那我们平常打篮球时应该也会受科里奥利力的影响可是好像没有吧.....
   地转偏向是什么:地球由于自转,物体运动存在自转偏向。在地球上水平运动的物体,无论朝哪个方向运动,都会发生偏向,在北半球向右偏,在南半球向左偏。
   抽水马桶的水流形成的漩涡,在北半球逆时针旋转,在南半球顺时针旋转。当我们使用洗脸池或抽水马桶后放水时,水流通常要形成漩涡从排水孔流出。为什么会形成漩涡呢?热心的物理学家这样告诉我们:由于地球本身的自转,使得在其表面流动的液体和气体(或称为流体),受到“科里奥利力”的作用。科里奥利是19世纪法国数学家,他发现在旋转球体上移动的物体,会偏离其运动轨迹。这很容易理解,把等角速度旋转的物体本身看成是一个非惯性系,那么其中运动的物体受到惯性力的作用;特别是,一个惯性力垂直于矢径,是因为沿矢径移动时候,其线速度会发生改变,也就是产生了加速度,这就是受力方向。在地球北半球,科里奥利力造成流体逆时针旋转,在南半球则顺时针旋转。
   物理学家对科里奥利力或科里奥利效应的理解绝对准确,但使用科里奥利效应来解释抽水马桶水的漩涡则大错特错。科里奥利效应在解释洋流、大气环流之类大规模运动的流体时是成立的。但是,对抽水马桶的水流,科里奥利效应则几乎毫无影响。马桶旋转水流的2端,由于地球自转造成的影响几乎是完全相等的,即使有略微不同,也安全无法造成强烈的水流。
   那么,马桶时如何造成水流旋转呢?仔细观察即可发现,答案是马桶边缘的出水孔。马桶设计人员使水从边缘沿着切线方向喷出,这样造成水流的强烈旋转。但是,洗脸池和浴缸并没有侧向水流,为什么也会产生深深的漩涡呢?答案也不是科里奥利效应。原因在于,水在流向排水孔时,不能把孔完全盖住,否则,空气跑不出来,水也流不下去。因此,水流必须“排队等候”流入排水孔。漩涡就是水流排队的方式。通常,对于某个马桶,漩涡方向是固定的。这因为排水孔中心并不严格处于马桶或者浴缸的中心,这样,初始的随机偏转效应会累积,最后形成固定的旋转方向。
   再如,假设北半球有一物体在A点,它沿着经线向北朝B点运动,在B点有一个观测者,如果地球没有自转,那么这个观测者就会看到物体沿着运动方向到达了他的位置;但是地球是一个自转的球体,那么B点经过地球的自转就相当于从经线1转到了经线2的位置,因为地球的经线不是平行的,所以B点在经线2的指向相对于在经线1的指向就改变了,形成了一个角度(可以去看一下地球仪,就会发现两条经线的指向是有角度的)但物体由于惯性,仍然沿着原来经线的指向运动,于是运动到目的地时,在B点的观测者就发现这个物体运动到他的右边。
   2.原因分析
   同样的由于纬线在平面上也不平持,所以在北半球纬线指向运动的物体也会向右偏向;而在南半球的情况刚好和北半球相反。 而只有在赤道上才不会出现地转偏向,因为那里的经线和纬线在平面上是平行的。
   所以很多交通工具如飞机,轮船在航行时都要经常的调整航向,不然就会偏航到目的地的右方了。 地转偏向气流的影响非常明显,是大气运动主要原因。地球上重要的天气特征气旋和反气旋需要地转偏向才能形成。地转偏向还是形成风暴的主要原因之一,是不同纬度带信风形成的主要原因之一,同时还是季风形成的主要原因之一。
   地转偏向也是洋流形成的主要原因之一。洋流受到地转偏向的影响,在流动的过程中偏转,逐渐形成环流,使得地球的海水热量,成分得以交换,维持全球热量与水量的平衡。北半球的环流是顺时针,南半球的环流是逆时针的。 所以,地转偏向只在大尺度上对水流有影响。
   事实上,水流漩涡只是因为水缸的不平稳或是水中原本就有的扰动造成的若水一开始有一点点顺时针旋转当水漏掉时,由于角动量守恒角速度势必就会增加,我们也就会看到水流漩涡了假设水缸底部完全水平水中也完全没有扰动那么不论是在何处,水都会直接向下流,没有漩涡所以说,并没有所谓北半球顺时针流下,南半球是逆时针这只不过是有人科里奥利力解释的产物不相信的话可以自己找不同的水缸做做看实验...如果水流漩涡与科里奥利力那在赤道线上水流漩涡也就没有特定的方向了。
   3.结论
   对于水的旋涡,科学家已经表示,和地传偏向没有什么关系,地转偏向无力影响水形成旋涡,地球上水旋涡的运动方向和存在方式只与地貌特征有关;如果是下水道,则与下水道的结构和温度有关,而与地球的自转没什么关系,所以南北半球水旋涡的方向相反是个谬论,也就是说,不管在南半球或北半球,水的旋涡方向可能是顺时针的,也可能是逆时针的。
  
   参考文献: 
   https://www.iqstar.net/cgi-bin/topic
   https://www.hogo.com.cn/dierkt1/text
   https://www.zhiyin.com.cn/zy/ca2218.htm

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