Закручивание воды при стоке

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
(перенаправлено с «Обратное закручивание воды при стоке»)
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 некоторым заблуждениям, человек, находящийся, например, в душевой кабине корабля, по изменению направления вращения воды при сливе якобы смог бы 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 геометрии потоков в жидкости, 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. Кроме того эффект Кориолиса максимален на полюсах и отсутствует вблизи экватора.

На практике эффект проявляется лишь в тщательно спланированных экспериментах, проведенных вдали от экватора, в которых используются строго симметричные сосуды, многочасовой отстой жидкости перед измерением, контроль внешних условий (стабильность температуры и отсутствие потоков воздуха).[1]

Лабораторные эксперименты[править | править вики-текст]

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[2][3], что как в Северном[4][5][6], так и в Южном[7] 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[8]. В некоторых экспериментах[9] наблюдалось изменение направления вращения жидкости при приближении поверхности жидкости к дну сосуда.

Опыты в домашних условиях[править | править вики-текст]

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[10] — 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[11], 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[12][13]. 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[14], а также эксперименты по моделированию похожего явления — генерации восходящих воздушных вихрей при нагреве подстилающей поверхности[15].

Роль неустойчивости в определении направления[править | править вики-текст]

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[16], 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. Can somebody finally settle this question: Does water flowing down a drain spin in different directions depending on which hemisphere you're in? And if so, why? // SciAm, 2001: " Even in a tub having a perfectly symmetric drain, the circulation direction will be primarily influenced by any residual currents in the bathtub left over from the time when it was filled. It can take more than a day for such residual currents to subside completely. If all extraneous influences (including air currents) can be reduced below a certain level, one apparently can observe "
  2. Letters to editor // Am. J. Phys.. — 1994. — Т. 62. — № 12. — С. 1063.
  3. Уокер Дж. Физический фейерверк. — М.: Мир, 1988. — С. 98, 215-216. — 298 с.
  4. Turmlitz O. Ein neuerphysikalischer Beweis der Achsendrehung der Erde // S.B.Akad. Wiss. Wein, Abt. IIa. — 1908. — Т. 117. — С. 819.
  5. Shapiro A. H. Buth-tub vortex // Nature. — 1962. — Т. 196. — С. 1080-1081.
  6. Binnie A. M. Some experiments on the bath-tub vortex // J. Mech. Eng. Sci.. — 1964. — Т. 6. — С. 256-257.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Sibulkin M. A note on the bathtub vortex // Journal of Fluid Mechanics. — 1962. — Т. 14. — С. 21-24.
  10. В. Сурдин Ванна и закон Бэра // Квант. — 2003. — № 3. — С. 12-14.
  11. «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.).
  12. «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.).
  13. 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.
  14. 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.
  15. «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.)
  16. 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.