Wir umywalkowy

Jak każdy dobrze wie, po wyciągnięciu korka z napełnionej wodą umywalki, zacznie ona wirować przeciwnie do kierunku obrotu wskazówek zegara, i oczywiście przyczyną tego zachowania jest siła Coriolisa. Tylko że to akurat nie prawda.
Albo część prawdy.

Siła Coriolisa jest uznawana przez fizyków za siłę pozorną. Siły takie związane się nie z rzeczywistym oddziaływaniem jakichś energii, a jedynie są odstępstwem od przewidywanego skutku działania tych sił rzeczywistych, a to dlatego, że działają w układzie nie inercjalnym. Tak jest na przykład z bezwładnością. Gdy siedzimy w wagonie kolejowym, a pociąg zaczyna hamować, czujemy że jakaś siła pcha nas do przodu a lżejsze przedmioty toczą się w tamtym kierunku. W rzeczywistości nie działa tu jednak żadna siła a tylko jej pozór. Gdy bowiem pociąg zwalnia, przestaje być dla nas układem inercjalnym, a tym co pcha nas do przodu jest nadany nam uprzednio pęd, za sprawą którego nasze ciało stara się zachować ruch jednostajny.
Podobne siły powstają gdy mamy do czynienia z układem obracającym się. Chęć zachowania przez ciała ruchu prostoliniowego, przybiera postać pozornej siły odciągającej je od osi obrotu - siły odśrodkowej.


Siła Coriolisa pojawia się gdy ciała poruszają się po wirującej powierzchni. Gdybyśmy stanęli na na przykład obrotowej scenie teatru i mieli za zadanie iść od jej środka po linii prostej do osoby stojącej na zwykłej scenie, to siłą rzeczy pozostawimy na jej obracającym się kręgu zakrzywiony ślad, co chwil bowiem musimy schodzić trochę w bok aby nadal być na wyznaczonej linii. Gdybyśmy znajdowali się na kilku kilometrowej obracającej się krze lodowej i dla zabawy puścilibyśmy z jej środka kulę aby się toczyła do brzegu, to jej tor również ulegnie zakrzywieniu, będzie bowiem toczyła się po linii, a kra będzie obracała się pod nią.
Gdyby jednak kra była tak wielka, że nie mieli byśmy porównania, czy obraca się ona czy też nie, to widząc takie zakrzywienie moglibyśmy uznać, że jakaś siła odchyliła tor kuli w jedną stronę. Ziemia jest taką krą, i choć obraca się na tyle jeszcze wolno, że nie czujemy siły odśrodkowej, to jest to obrót wystarczająco szybki, aby tor wystrzelonego pocisku został o pewną wartość odchylony, aby powietrze zasysane do środka niżu zaczęło po odchyleniu napędzać jego wirowanie i aby w podobny sposób odginały się prądy morskie prowokując cyrkulację.
Rzecz ładnie prezentuje ten film, na którym kulkę puszczano po wklęsłej, obracającej się tacy, do której przymocowano kamerę.


Innym efektem działania tych pozornych sił, jest Wahadło Foucaulta - przyrząd pozwalający zademonstrować ruch obrotowy ziemi. Główne założenie jest proste - płaszczyzna wahań wahadła swobodnego, pozostaje stała w przestrzeni. Gdy zawiesimy takie wahadło na biegunie ziemia będzie się obracała, ale wahadło nadal będzie wahało się w takim kierunku w jakim zostało puszczone. Dla obserwatora będzie to wyglądało tak, że linia łącząca punkty największych wychyleń powoli okręca się wokół środka, aby powrócić do pierwotnego położenia po 24 godzinach. Dla niższych szerokości geograficznych, ten czas całkowitego obrotu jest coraz dłuższy, bo i wahadło drga wtedy pod kątem do osi obrotu ziemi, a gdy znajdzie się na równiku, skręcanie płaszczyzny drgań ustaje zupełnie. Można to zobaczyć na żywo w centrum nauki "Kopernik" w Warszawie, ja zaś widziałem to na wieży zamkowej we Fromborku, podczas zlotu miłośników astronomii OZMA 2008. A tutaj film pokazujący 12 godzinne wahania takiego wahadła w Japonii, w 1000 krotnym przyspieszeniu. To wahadło ma magnetyczny mechanizm, napędzający je bez wpływu na kierunek drgań.

No i co to wszystko na ma wody w umywalce? Gdy wyciągamy korek, woda zaczyna być zaciągana do środka, pokonując pewną drogę. Ponieważ jednak dzieje się to na ziemi, na poruszającą się wodę powinna działać siła Coriolisa, zaś sumą odchyleń wszystkich strumieni powinno być powstanie wiru napędzającego się wraz z zacieśnianiem. Sęk w tym, że im mniejsza jest odległość po której porusza się strumień wodny, tym mniejsze wychylenie wynika z działania tej siły. W umywalkach jest ono tak małe, że ginie wobec takich zaburzeń, jak turbulencje przepływu, pozostałości wirowania po nalewaniu czy zaburzenia związane z wyciąganiem korka. Dziś z ciekawości parę razy sprawdzałem to w zlewie, i czasem woda kręciła się w lewo a czasem w prawo. Wydaje się, że duże znaczenie ma tu praworęczność i geometria umywalek. Czy jednak taki efekt nigdy nie może powstać? Może, ale w specyficznych warunkach.

w 1908 roku niejaki Otto Tumlirz przedstawił pracę naukową, w której opisał swoje doświadczenia z ruchem wody. Napełniał wodą zbiornik o średnicy 1,8 metra przy pomocy 1100 litrów wody i pozostawiał na dobę aby wszelkie ruchy związane z napełnianiem zamarły, w pomieszczeniu o stałej temperaturze aby wykluczyć wpływ konwekcji, i wyciągał od spodu korek zakrywający otwór dokładnie pośrodku zbiornika. W ten sposób mógł wykluczyć powstawanie zaburzeń ruchu. Po około kwadransie dawało się zauważyć, że woda w centrum zbiornika zaczęła wirować, co poznawał po ruchu rzuconych na powierzchnię kawałków korka. Po wielu takich spuszczeniach i uśrednieniu wyników uznał, że rzeczywiście efekt Coriolisa ma tutaj znaczenie.
Jak łatwo policzyć, po wyciągnięciu korka ruchowi do środka podlegała warstwa wody o grubości 4 cm i na odległości maksymalnie 90 cm.
Wyniki doświadczenia były zapewne opisywane przez ówczesną prasę i jak łatwo się domyślić, dziennikarze nie zaprzątali sobie głowy warunkami technicznymi, tylko ogłosili, że wyciągając korek z wanny możesz dowieść ruchu ziemi. Sami jednak przyznacie, że umywalka czy wanna z korkiem, to sytuacja całkiem inna od tej w doświadczeniu. I woda może zawirować tak "jak powinna" ale może i na odwrót. Zlew to nie ocean.

Ale zaraz zaraz - zapyta ktoś - przecież raz w jednym programie pokazywali, że jak się stanie na równiku i spuszcza wodę w umywalce, to na jednej półkuli wiruje w jedną a na drugiej w drugą stronę! A owszem, widziałem to raz u Cejrowskiego. W miejscach gdzie równik jest oznaczony, można to sobie zobaczyć za parę dolarów. Sęk w tym, że trzeba wiedzieć dokładnie gdzie jest równik, aby móc kilkoma krokami przejść z jednak półkuli na drugą. W większości przypadków oznaczenia stałe są raczej orientacyjne. Nawet GPS daje trochę rozbieżne wyniki, związane choćby z niezupełną kulistością Ziemi, i wyznaczana linia równika może raz znajdować się dokładnie tutaj, a raz kilkanaście metrów dalej.
Znacznie dokładniej można wyznaczyć przebieg południków, te bowiem liczy się od umownego punktu - południka 0 w Greenwich Dokładnie zaś, za linię południka uznaje się ten, który przebiega przez oś główną największego teleskopu w królewskim obserwatorium astronomicznym w Greewich (dziś dzielnica Londynu).
Więc to z pokazaniem wiru na równiku, to pic na wodę, tajemnica polega jak podejrzewam, na odpowiednim nalewaniu wody, aby wytworzyć pewien wstępny wir.
---------
źródła:
* http://en.wikipedia.org/wiki/Coriolis_effect
* http://www.jakubw.pl/faq/fizyka/node41.html
*