為何北半球的馬桶水流不一定是逆時针旋转的?

本文围绕北半球馬桶水流是否一定逆時针旋转的问题,介绍了科里奥利力(地转偏向力)的定义和原理,指出在小尺度下,科里奥利力效应微弱,馬桶漩涡的方向主要由其自身结构决定,同时阐述了科里奥利力在河流冲刷、铁轨磨损、台风结构等大尺度长期过程中的显著作用。

為何北半球的馬桶水流不一定是逆時针旋转的?

“為什麼北半球馬桶冲水時水流是逆時针旋转的?” “因為科里奥利力會使水流一边下落一边偏向右侧。” 這是日常生活中偶爾會聽到的话题,但这种说法是否正确?究竟什么是 “科里奥利力” 呢?这种 “力” 最初由法国数学家兼工程师科里奥利提出,叫做科里奥利力。它是指在旋转的参考系中,运动的物体都会受到一股垂直于运动方向的力,从而偏离其运动轨道。地球不停地自转,可以看作一个旋转的参考系。科里奥利指出:在北半球,运动的物体会受到指向运动方向右侧的(科里奥利)力,在南半球则会受到指向左侧的力。這就是為什麼北半球的水流总是偏向右侧的原因。

那么,馬桶冲水逆時针流的原因看来就是科里奥利力了?未必,由于地球的自转非常缓慢,科里奥利力的效應也相当微小。我们可以做一个小小的估算。假設水流的速度和刘翔110米跨栏的速度差不多(大約10米/秒),那么科里奥利力确实会导致水流方向偏转。但具体计算表明,即使马桶的直径有1米,而水流从这个 “巨型” 马桶边径直冲向中心,到达中心时由于科里奥利力产生的偏转还不到半毫米,难以产生明显的效应。即使有任何效应,也会轻易被各种干扰所抵消,比如水流之间的冲击。实际上,马桶排水口产生漩涡的主要原因是它们自身的构造。有些马桶被特意设计成旋涡式冲水,以便把污物冲刷干净。无论挪到地球上什么地方,它们都只能产生同一个方向的漩涡。对于一般的下水道排水口,如果在雨天仔细观察,你会发现两种旋转方向的漩涡都会出现。

虽然地球自转的速度不高,导致的科里奥利力也不太大,但在大尺度和长时间的过程中,我们仍然能看到它的效應。古语云 “水滴石穿”。千百年来不停流淌的河流,在科里奥利力的作用下水流总是向右偏(北半球),于是河流的右岸总是被冲刷,而左岸水流速度相对较慢,所以经常会有沙石堆积。对于铁轨来说,每天有成千上万吨重的火车沿着同一个方向以每小时百千米以上的速度在上面飞驰,北半球凡右侧铁轨的磨损总是比左侧铁轨略微严重一些。总之,在大尺度上,科里奥利力的影响显而易见。看看卫星云图,北半球所有的台风都是顺时针旋转的,这也是科里奥利力发挥的把戏。台风是低压系统,在地面附近台风中心处的气压会特别低,所以风会吹向台风中心,由于科里奥利力的影响,向中心的气流是逆时针旋转的(这一点已经广为宣传,成为常识)。当大量空气到达台风中心后,实在无处可去,只能沿着风眼墙上升到台风的顶部,形成强辐散区,形成从风眼向外吹的风。这时,科里奥利力依然使气流的方向逐渐向右偏移,于是台风顶部的云就形成了顺时针向外展开的结构。以上情况到了南半球则反过来了。