Закручивание воды при стоке

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск

Закручивание воды при стоке — факт, основанный на наблюдении движения воды в водовороте, возникающем при её стоке в сливное отверстие раковины или ванны. Существует широко распространённое мнение, что вода закручивается в разных направлениях в Южном и Северном полушариях Земли, что объясняется вращением Земли и действием силы Кориолиса. Согласно этому, например, человек, находящийся в душевой кабине корабля, по изменению направления вращения воды при сливе может определить пересечение судном экватора. Скептики этого утверждения заявляют что и в Южном, и в Северном полушарии воронка в обыкновенной раковине может закручиваться как по часовой, так и против часовой стрелки в зависимости от индивидуальных особенностей геометрии конкретной ванны, структуры её поверхности (например, шероховатости) и конфигурации канализационной системы. Они объясняют это тем, что для данного явления число Россби слишком велико, то есть масштаб явления слишком мал, чтобы на него в значительной степени повлиял эффект Кориолиса (максимальный на полюсе и отсутствующий на экваторе).


В лабораторных экспериментах, в которых принимались специальные меры предосторожности для исключения случайных возмущений (строго выдерживалась симметричность формы сосуда, жидкость перед сливом отстаивалась в течение длительного времени, предотвращалось воздействие воздушных потоков), было подтверждено[1][2], что как в Северном[3][4][5], так и в Южном[6] полушариях жидкость получает вращение, предсказываемое теорией. Киносъемка одного из таких экспериментов вошла в серию учебных фильмов по гидромеханике, снятых Национальным комитетом по фильмам по гидромеханике[7]. В некоторых экспериментах[8] наблюдалось изменение направления вращения жидкости при приближении поверхности жидкости к дну сосуда.

Для опытов в домашних условиях (слив воды из ванны) экспериментальные данные различны. Есть наблюдение, что в идеальных условиях, при должной аккуратности и соответствующих приготовлениях можно наблюдать эффект закручивания, обусловленный только лишь силой Кориолиса, и в домашних условиях[9] — в Северном полушарии вода будет закручиваться против часовой стрелки, а в Южном — по часовой, однако в тексте статьи не приводится данных о том, что эксперимент проводился для нескольких ванн, поэтому направление вращения может быть связано со случайной асимметрией конкретного сосуда. В известном учебнике по гидродинамике Милн-Томсона утверждается, что направление вращения зависит от температуры воды[10], хотя, возможно, это наблюдение может быть связано с тем, что заполнение ванны горячей и холодной водой происходило через разные краны, что могло приводить к небольшим начальным закручиваниям разного направления.

Известны сообщения о прямом экспериментальном доказательстве отсутствия преобладающего направления закручивания для истечения из ванн[11][12]. Кроме этого, в пользу равновероятности левого и правого закручивания для большого числа ванн говорят эксперименты с истечением жидкости из сосудов с неодинаковой степенью шероховатости отдельных участков дна и стенок и несимметричным расположением сливного отверстия[13], а также эксперименты по моделированию похожего явления — генерации восходящих воздушных вихрей при нагреве подстилающей поверхности[14].

Существует также мнение о том, что в эксперименте нельзя наблюдать эффект закручивания, обусловленный только лишь силой Кориолиса, потому что при определенных числах Рейнольдса в аксиальном течении всегда возникает неустойчивость[15], которая ведет к возникновению вращения по часовой или против часовой стрелки с равной вероятностью. Эффект закручивания при этом во много раз сильнее, чем эффект, создаваемый силой Кориолиса.

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Letters to editor // Am. J. Phys.. — 1994. — Т. 62. — № 12. — С. 1063.
  2. Уокер Дж. Физический фейерверк. — М.: Мир, 1988. — С. 98, 215-216. — 298 с.
  3. Turmlitz O. Ein neuerphysikalischer Beweis der Achsendrehung der Erde // S.B.Akad. Wiss. Wein, Abt. IIa. — 1908. — Т. 117. — С. 819.
  4. Shapiro A. H. Buth-tub vortex // Nature. — 1962. — Т. 196. — С. 1080-1081.
  5. Binnie A. M. Some experiments on the bath-tub vortex // J. Mech. Eng. Sci.. — 1964. — Т. 6. — С. 256-257.
  6. Trefethen L. M., Bilger R. W., Fink P. T., Luxton R. E., Tanner R. I. The Bath-Tub Vortex in the Southern Hemisphere // Nature. — 1965. — В. 5001. — Т. 207. — С. 1084-1085.
  7. National Committee for Fluid Mechanics Films (NCFMF). Комментарии в методическом пособии к фильму: Shapiro A. H. Film notes for "Vorticity". — 1969. — С. 5-6. — 12 с.
  8. Sibulkin M. A note on the bathtub vortex // Journal of Fluid Mechanics. — 1962. — Т. 14. — С. 21-24.
  9. В. Сурдин Ванна и закон Бэра // Квант. — 2003. — № 3. — С. 12-14.
  10. «Время от времени возникает дискуссия относительно того, является ли направление вращения вихря, который часто можно наблюдать при вытекании воды из ванны, различным в северном и южном полушариях Земли. Нетрудно проверить экспериментально, что можно получить любое направление вращения этого вихря в зависимости от того, наполнена ли ванна горячей или холодной водой. В горячей и в холодной воде, движущейся вблизи границы, возникают вихри противоположного направления» (Милн-Томсон Л. М. Теоретическая гидродинамика. — М.: Мир, 1964. — С. 534. — 656 с.).
  11. «Желая удостовериться в этом, я года два назад организовал с читателями одного из наших научно-популярных журналов коллективную проверку утверждения акад. Д. Граве. Каждый из участников этой работы должен был проследить десяток раз, в каком направлении вращается воронка, образующаяся при вытекании воды из ванны, умывальника и подобных резервуаров, и прислать мне сообщение, сколько раз из десяти случаев наблюдалось вращение против часовой стрелки. Хотя в анкете участвовало сравнительно небольшое число читателей, все же, сопоставляя полученный материал, можно было заключить, что преобладания вращения в сторону против часовой стрелки замечено не было» (Перельман Я.И. Знаете ли вы физику?. — М.: Наука, 1992. — С. 92. — 272 с. — ISBN 5-02-014446-0.).
  12. Известно сообщение (которое, возможно, является частью научного фольклора) о том, что известный гидродинамик Г. Ю. Степанов связался с большим числом своих коллег и попросил их определить направление вращения воронки в их ваннах. Утверждалось, что число ванн с левым и правым вращением воронок было примерно одинаковым.
  13. Карликов В. П., Розин А. В., Толоконников С. Л. К проблеме воронкообразования при истечении жидкостей из сосудов // Известия РАН. Механика жидкости и газа. — 2008. — № 3. — С. 140-151.
  14. «Многократное повторение экспериментов на различных режимах позволили [так в оригинале] сделать следующие выводы. <…> Преимущественного направления вращения наблюдаемых вихрей обнаружено не было». (Вараксин А. Ю., Ромаш М. Э., Копейцев В. Н. Торнадо. — М.: Физматлит, 2011. — С. 236. — 344 с.)
  15. T. Kawakubo, Y. Tsuchiya, M. Sugaya, K. Matsumura Formation of a vortex around a sink: a kind of phase transition in a nonequilibrium open system // Phys. Lett.. — 1978. — № 68A. — С. 65.