В какую сторону может закручиваться поток в сливе раковины

Математика явления

Геофизики часто используют в своей работе математическое уравнение, известное как уравнению Навье-Стокса. Оно описывает движения вязкой ньютоновской жидкости и является основой гидродинамики. Иными словами, уравнение Навье-Стокса связывают с измерение скорости жидкости – ее движения – с силами, воздействующими на жидкость, при этом учитывая несколько физических ограничений.

Физики и математики могут записать эти уравнения, но увы, не могут их решить. На самом деле, эти уравнения входят в список так называемых Задач тысячелетия, за решение которых присуждается премия в размере 1 млн долларов.

Несмотря на то, что у нас нет полного решения уравнения Навье-Стокса, метеорологи и физики-океанограф все же могут воспользоваться частичными решениями. Один из таких способов заключается в сравнении различных членов уравнений Навье-Стокса для того, чтобы определить, какие из них наиболее важны.

Такие сравнения часто записываются как физические величины не имеющие единиц измерения, поэтому они были названы «безразмерными величинами».

Влияние силы Кориолиса

     Для того чтобы увидеть влияние силы Кориолиса, нужно строго симметричная ванна, в которой сливное отверстие расположено точно в центре и открывается так, что при этом не создается начального закручивания воды. Вода в ванне должна постоять день-другой, а над водой не должно быть воздушных потоков и температуру в помещении необходимо поддерживать постоянной. И только при соблюдении всех мер вышеперечисленных можно будет наблюдать истинное вращение воды, которое в свою очередь будет зависеть от Кориолисовой силы. Согласитесь, что всё это будет сложновато устроить.
      Но увидеть действие этой силы можно и в природных явлениях. В Северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в этом полушарии более крутые — их подмывает вода под действием силы. В Южном полушарии всё происходит наоборот.
     Если рельсы были бы идеальными, то при движении железнодорожных составов с севера на юг и с юга на север, под воздействием силы Кориолиса один рельс изнашивался бы сильнее, чем второй. В северном полушарии больше изнашивается правый, а в южном левый. Таких примеров можно привести множество. Но если Вы хотите узнать побольше о силе Кориолиса, то поищите свой ответ в механике.

Что ещё вращается и в какую сторону

•      Раковина улитки раскручивается от центра по часовой стрелке.
•      Смерчи, ураганы (ветры с центром в области циклона) дуют в Северном полушарии против часовой стрелки и подчиняются центростремительной силе, а ветры с центром в области антициклона дуют по часовой стрелке и имеют центробежную силу. В Южном полушарии —  наоборот.
•      Интересный опыт наблюдали путешественники, пересекая экватор. Если в воронку, наполненную водой, кинуть спичку или веточку, то в Южном полушарии она крутится по часовой стрелке, в Северном — против, а на экваторе вообще не крутится.
•   Лопасти у вертолётов в разных странах крутятся в разные стороны. В одних странах вертолёты делают с винтом, вращающимся по часовой стрелке, а в других — против. Если смотреть на вертолёт сверху, то: в Америке, Германии и Италии винт крутится против часовой стрелки, а в России и Франции — по часовой стрелке.
•       У одной кошки при виде воробьёв (это её любимые птицы) хвост вертится по часовой стрелке, а если это не воробьи, а другие птицы, то он вертится против часовой стрелки. Рекомендую посмотреть страничку о том, как появилась жизнь на нашей планете.
•      Собака пред тем, как сходить по делам, обязательно покрутится против часовой стрелки.
•      Винтовые лестницы в замках закручивались по часовой стрелке (если смотреть снизу, а если сверху — то против часовой). Это сделано специально для того, чтобы при подъёме нападающим было неудобно атаковать.
•      Молекула ДНК закручена в правостороннюю двойную спираль.
•      Спирали электрических лампочек, изготовляемых в России, закручены влево. А спирали зарубежных лампочек — вправо.

Думаю теперь Вы знаете о действии силы Кориолиса, а также разобрались с вращением воды в природе. Удачи))

Влияние эффекта Кориолиса на земные процессы

Как выше было выяснено на примере полета снаряда в направлении Северного полушария, сила Кориолиса приводит к его смещению в восточном направлении. В ту же сторону будет смещаться тело при движении от экватора к Южному полюсу. Если же движение объекта противоположно указанным направлениям, то и влияние эффекта Кориолиса окажется противоположным.

Рассматриваемая сила оказывает большое влияние на изменение направлений океанических течений и движение воздушных масс. Например, течение Гольфстрим, которое обогревает своими теплыми водами западные берега Европы, в действительности берет начало по другую сторону Атлантического океана, в Мексиканском заливе. Оно пересекает океан с запада на восток, благодаря влиянию кориолисовой силы.

Еще одним известным примером действия рассматриваемой силы являются ветры пассаты. Как известно, они дуют в западном направлении в экваториальных широтах. Происходит это потому, что движущиеся к экватору воздушные массы из полушарий планеты отклоняются в западном направлении, подобно описанному выше полету снаряда.

Что такое эффект кориолиса

Первооткрывателем, который отвечал за математическое описание этой силы, был Гаспар-Гюстав Кориолис. Именно благодаря этому он получил это имя, а не другое. Он был открыт в 1935 году и помог узнать гораздо больше о планете и Вселенной. Во всех вращательных движениях присутствует сила Кориолиса.

Этот эффект довольно просто объяснить. Это сила, возникающая из-за вращения Земли вокруг своей оси. Эта ротация — это то, что заставляет нас жить днем ​​и ночью. Из-за этого вращения траектории движущихся по земной поверхности объектов отклоняются. Это очевидная вещь, если мы делаем это на чем-то, что быстро меняется. И Земля тоже. Однако из-за силы тяжести мы не замечаем, что Земля вращается непрерывно и без остановки.

Объекты отклоняются вправо для всего в северном полушарии и влево для всего в южном полушарии. Это причина того, что штормы и циклоны движутся в разных направлениях, поскольку они расположены в том или ином полушарии.

Когда имеет место этот эффект, по отношению к телу возникает ускорение, перпендикулярное относительной скорости, которую оно в настоящее время несет. Таким образом, В зависимости от скорости, с которой движется объект, эффект Кориолиса будет сильнее или нет.

Развенчиваем мифы о воронке воды

Миф #1: Воронка воды всегда закручивается по часовой стрелке

Этот миф является часто встречающимся и вызывает недоумение у многих. Однако на самом деле воронка воды может закручиваться как по часовой стрелке, так и против нее. Это зависит от многих факторов, включая форму и размер воронки, скорость вращения и многое другое.

Миф #2: Воронка воды закручивается в одном направлении на северном и южном полушариях

Этот миф также является популярным, но на самом деле, направление вращения воронки воды зависит от многих факторов и не имеет никакого отношения к географическому положению. Например, воронка воды в унитазе на северном полушарии может вращаться по часовой стрелке, в то время как на южном полушарии — против.

Миф #3: Воронка воды в раковине и в унитазе ведут себя одинаково

Это утверждение не соответствует действительности. Воронка воды в раковине обычно имеет круглую форму и небольшой диаметр, что приводит к закручиванию в одном направлении. В то время как в унитазе форма и размер воронки могут сильно варьироваться в зависимости от дизайна и конструкции, что может привести к разным направлениям вращения.

Как видите, мифы о воронке воды могут обмануть нас. Но помните, что вращение воды в воронке — это лишь еще один занимательный феномен природы, который заслуживает нашего внимания.

Влияние сезонных изменений

В зимнее время реки, наоборот, испытывают снижение уровня воды и сокращение объема речной системы. Это влияет на скорость течения, которая становится меньше, и на направление вращения водоворотов. Мощные ливни заменяются замерзшей водой, что приводит к уровнию проточных вод и, соответственно, уровню водоворота.

Кроме того, сезонные изменения влияют на температуру воды и ее плотность. Охлаждение воды зимой и нагрев летом вызывают изменение плотности воды и, как следствие, изменение гравитационных сил, действующих на водоворот. В результате это может приводить к изменению скорости вращения и направления водоворота.

Сезонные изменения также могут оказывать влияние на отложение осадков на дне реки. Зимой, когда река замерзает, процесс отложения ускоряется, что ведет к изменению формы и размеров водоворота. Летом же, вода становится прозрачнее, что влияет на видимость водоворота и способность его обнаружить.

Таким образом, сезонные изменения играют важную роль в формировании и динамике водоворотов. Они определяют скорость, направление вращения и внешний вид этих природных явлений.

Вода сливается против часовой стрелки: причины и объяснения

Многим из нас знакомо это любопытное явление — вода сливается против часовой стрелки в раковине или унитазе. На первый взгляд, это может показаться загадкой или даже магией, но на самом деле есть научное объяснение этому явлению. Давайте разберемся в причинах и механизмах такого смешного поведения воды.

Самое главное объяснение заключается в так называемом «эффекте Кориолиса». Это явление, которое происходит из-за вращения Земли. Кориолисово влияние приводит к тому, что свободное движение воздуха и воды на поверхности Земли отклоняется вправо на северном полушарии и влево на южном полушарии. Этот эффект вызывается разницей скоростей вращения Земли на разных широтах.

В северном полушарии, вода или воздух, двигаясь не напрямую, а с отклонением вправо, легче перемещается вокруг раковины или унитаза против часовой стрелки. В южном полушарии — наоборот, с отклонением влево. Итак, простыми словами, это значит, что вода вливается в раковину или сливается из нее так, будто вам изначально показалось неправильно.

Однако вода сливается против часовой стрелки не всегда и не везде. Сила эффекта Кориолиса слишком слаба, чтобы влиять на такие небольшие объемы, как водные сливы или стоки в раковинах или унитазах. Это объясняет, почему у многих людей вода сливается «нормально», без вращения.

Важным фактором, влияющим на направление слива, является наличие сильного вихревого движения или турбулентности воды в раковине или унитазе. Другими словами, если вода уже вращается в определенном направлении, даже слабое взаимодействие с эффектом Кориолиса может усилить вращение в этом направлении. В то же время, если вихрь не создается или формируется в противоположном направлении, Эффект Кориолиса может быть практически незаметен.

Ниже приведены некоторые дополнительные факторы, которые могут повлиять на направление слива:

• Форма раковины или унитаза.
• Наличие преград или препятствий.
• Обеихютаторы или двигатели, которые могут влиять на движение воды.
• Скорость или сила потока воды.
• Наличие других вихревых движений, таких как ветер или соседствующие объекты.

Таким образом, несмотря на то что обратное движение воды в раковине кажется интересным и порой странным, оно имеет простое объяснение в эффекте Кориолиса и других факторах. Однако для повседневных наблюдений в санитарных помещениях направление слива воды обычно не имеет большого значения и зависит от сложившихся условий.

Неужели это полностью миф?

Но не стоит полностью разочаровываться! Все-таки этот миф возник вовсе не на пустом месте. И разница в направлении воронок все-таки имеется! Но чтобы продемонстрировать эксперимент действительно объективно, нужно учитывать ряд факторов: использование абсолютно идентичных раковин или иных сосудов, долгий отстой жидкости для достижения полного отсутствия движения в ней, стабильность температуры и ряд прочих. Причем проводить эксперимент нужно не в десятке шагов от экватора, а на значительном расстоянии от него – чем дальше тем лучше.

И даже в этом случае воронка может вращаться в разные стороны, а сам эффект проявляется только в последние мгновения эксперимента, когда воды в емкости осталось совсем немного. Так что, этот миф хоть и возник не на пустом месте, все-таки значительно приукрасил реальность, делая её чуть более интересной.

Воронка воды в северном полушарии:

Вращение воды в северном полушарии обусловлено так называемым эффектом Кориолиса. Этот эффект связан с отклонением движения тела, находящегося вращающейся системе, в направлении вращения системы. В случае воронки воды, ось вращения – это Земля, а вода является движущимся объектом.

Примером воронки воды в северном полушарии может служить случай вливания воды в раковину. Если открыть слив воды, то можно заметить, что вода начинает вращаться по часовой стрелке при стечении в раковину. Это связано с влиянием Кориолисового эффекта и является наглядным примером макроскопического проявления данного физического явления.

Пример воронки воды в северном полушарии:

Также этот феномен может наблюдаться и в большом масштабе при образовании тайфунов и ураганов. За счет вращения Земли и эффекта Кориолиса, воздушные массы вращаются вокруг центра низкого давления, образуя характерную воронку в форме шарового сектора.

Таким образом, воронка воды в северном полушарии является результатом влияния вращения Земли на движение водных масс. Этот процесс осуществляется с помощью эффекта Кориолиса и приводит к образованию водной струи, движущейся по часовой стрелке. Понимание этого явления помогает нам лучше понять природу и механизмы воздействия гравитации и вращения Земли на окружающую нас среду.

Что такое сила Кориолиса, и когда она возникает?

Под кориолисовой понимают фиктивную силу, которая действует на тело, движущееся в неинерциальной системе отсчета, в частности, во вращающейся. Чаще всего это понятие связывают с нашей планетой. Однако в любой системе, которая вращается вокруг некоторой оси, присутствует эта сила.

Кориолисова сила отличается от центробежной, которая также является фиктивной. Действительно, центробежная сила стремится сдвинуть тело от оси вращения системы. Чтобы тело находилось в состоянии покоя, необходимо наличие противоположной ей силы — центростремительной. Она уже является настоящей. Сила Кориолиса же стремится искривить траекторию перемещения тела, так как в покое не действует.

Названа эта сила в честь французского ученого XIX века Гаспара Кориолиса, который впервые получил формулу для ее вычисления. Кориолисову силу начали учитывать при изучении процессов в мировом океане и атмосфере только с конца XIX-начала XX веков.

Закручивание потока в случае наличия препятствий в сливе раковины

При наличии препятствий в сливе раковины, например, в виде загрязнений или мелких предметов, поток воды может начать закручиваться. Это происходит из-за изменения механики движения воды.

Когда вода стекает в раковину, она создает вихревое движение из-за трения о поверхность слива. Это движение зависит от физических свойств воды и геометрии слива раковины.

Если в сливе присутствуют препятствия, например, клочки бумаги или волосы, они могут изменить форму и геометрию водного потока. Это может вызвать закручивание потока воды и создание вихря.

Закручивание потока воды может привести к образованию вихря, который, в свою очередь, может замедлить или полностью заблокировать слив

Поэтому очистка слива от препятствий является важной процедурой для сохранения нормального потока воды в раковине

В общем случае направление закручивания потока воды зависит от конкретной геометрии и характеристик слива раковины, а также от расположения и формы препятствий. Поэтому невозможно однозначно предсказать, в какую конкретную сторону будет закручиваться поток в случае наличия препятствий в сливе раковины.

А как же сила Кориолиса?

Наверняка не каждый знает, что такое сила Кориолиса. Так называют разновидность инерции, влияющую на потоки жидкости и газа, в том числе на обычную воронку в раковине. Оказывается, сила Кориолиса, названная в честь ученого, открывшего её, действительно оказывает влияние на то, как вода будет уходить в слив. Вот только влияния, оказываемого ею, недостаточно, чтобы изменить направление воронки.

Например, в средних широтах у гигантской воронки диаметром около километра сила Кориолиса создаст скорость течения около 10 сантиметров в секунду. Соответственно, в крохотной воронке диаметром в несколько сантиметров, эта скорость будет в тысячи и тысячи раз меньше. Поэтому оказать хоть какое-то значительное воздействие она просто не сможет.

Влияние ветра и атмосферного давления

Вращение водоворота в значительной степени зависит от воздействия ветра и атмосферного давления. Ветер может оказывать существенное влияние на движение воды в водовороте, изменяя его скорость и направление.

Сильный ветер создает дополнительную энергию, которая может привести к усилению и ускорению водоворота. Если направление ветра совпадает с направлением вращения воды, то ветровое воздействие может усилиться, что приведет к более интенсивному движению стоков.

Атмосферное давление также оказывает значительное влияние на вращение водоворота. Изменения в атмосферном давлении могут вызывать изменения в уровне воды, что, в свою очередь, приводит к изменениям в гидродинамическом балансе и возможным изменениям в вращении водоворота.

Таким образом, ветер и атмосферное давление являются важными факторами, оказывающими влияние на вращение водоворота. Понимание и учет этих факторов помогает лучше понять и прогнозировать движение и поведение водоворотов.

Правое направление закручивания потока

Такое направление движения потока воды создается благодаря особенностям конструкции слива и направлению вихревых движений. Когда вода начинает сливаться в раковину, она образует вихревые потоки, которые, в зависимости от конструкции слива, могут быть направлены вправо.

Правое направление закручивания потока обладает некоторыми особенностями. Во-первых, такая система слива обеспечивает эффективное удаление отходов и загрязнений из раковины, так как вращающийся поток помогает уносить грязь с поверхности. Во-вторых, правое направление движения потока может помочь в создании комфортных условий для пользования раковиной, так как вода будет быстро сливаться и не будет задерживаться в раковине.

Основные преимущества правого направления закручивания потока в сливе раковины:

• эффективное удаление грязи и отходов;
• быстрое сливание воды;
• улучшение условий использования раковины.

Правое направление закручивания потока в сливе раковины является одним из основных вариантов и может быть использовано в различных типах раковин, в зависимости от их конструкции и функций.

Пример с полетом снаряда

Чтобы лучше понять, как себя проявляет сила Кориолиса, приведем следующий простой, но в то же время показательный пример. Предположим, что пушка, которая находится на широте экватора, выполняет выстрел строго по направлению к северному полюсу. Пусть место ее расположения — n меридиан. Если бы наша планета не вращалась с запада на восток, то ядро упало строго бы на n меридиане в Северном полушарии. Однако из-за суточного вращения планеты оказывается, что ядро падает на m меридиане, который находится восточнее, чем n, то есть m>n. Сила, которая привела к изменению траектории полета юг-север ядра, называется кориолисовой.

Объяснить описанный эффект несложно. Дело в том, что экваториальные широты, ввиду шарообразной формы Земли, вращаются с более высокой линейной скоростью, чем широты Северного и Южного полушарий. Когда снаряд, который вылетел с низких широт, оказывается в высоких, то он по инерции движется с более высокой скоростью на восток, чем воздушные массы этих широт. Данный факт приводит к указанному отклонению снаряда от прямой траектории.

Как возникает ускорение Кориолиса

1. На рисунке, расположенном ниже, изображен механизм, состоящий из кулисы, вращающейся с постоянной угловой скоростью ω_пер вокруг точки O и ползун, перемещающийся по кулисе с постоянной линейной скоростью v_отн. Следовательно, угловое ускорение кулисы и связанной с ней подвижной системы координат (ось x) ε_пер равно нулю. Так же равно нулю и линейное ускорение точки C ползуна  a_отн относительно кулисы (подвижной системы координат – оси х).

ω_пер = const     ε_пер = 0

v_отн = const       a_отн = 0

2. Как можно догадаться по аббревиатурам – относительное движение в нашем примере – это прямолинейное движение ползуна — точки C — по кулисе, а переносное движение – это вращение ползуна вместе кулисой вокруг центра – точки О. Ось x – ось неподвижной системы координат.

3. То, что ускорения ε_пер = 0 и a_отн = 0 выбрано в примере не случайно. Это облегчит и упростит восприятие и понимание сути и природы возникновения кориолисова ускорения и рождаемой этим ускорением – силы Кориолиса.

4. При переносном движении (вращении кулисы) вектор относительной линейной скорости v_отн1— повернется за малый промежуток времени dt на весьма незначительный угол dφи получит при этом приращение (изменение)  в виде вектора dv_отн—_.

dφ = ω_пер * dt

dv_отн—= v_отн2——  v_отн1—

dv_отн = v_отн * dφ = v_отн * ω_пер * dt

5. Вектор относительной скорости точки C v_отн2—в положении №2 сохранил свой размер и направление относительно подвижной системы координат – оси x. Но в абсолютном пространстве этот вектор повернулся за счет переносного движения на уголdφ и переместился за счет относительного движения на расстояние dS!

6. При стремящемся к нулю угле поворотаdφвектор изменения относительной скорости dv_отн—будетперпендикулярен вектору относительной скоростиv_отн2—.

7. Изменение скорости может быть вызвано только наличием ненулевого ускорения, которое и приобретет точка С. Направление вектора этого ускорения a₁— совпадает  с направлением вектора изменения относительной скоростиdv_отн—.

a₁ = dv_отн / dt = v_отн * ω_пер

8. При относительном движении (прямолинейном перемещении точки C ползуна по кулисе) вектор переносной линейной скорости v_пер—за незначительный промежуток времени dtпереместится на расстояние dS и получит приращение (изменение) — вектор dv_пер—_.

dS = v_отн * dt

dv_пер—= v_пер2——  v_пер1——  dvц_пер—

dv_пер = ω_пер * dS = ω_пер * v_отн * dt

9. Вектор переносной скорости точки C v_пер2—в положении №2 увеличил свой размер и сохранил направление относительно подвижной системы координат – оси x. В неподвижной системе координат (ось x) этот вектор повернулся за счет переносного движения на уголdφ и переместился на расстояние dSблагодаря переносному движению!

10. По аналогии с относительной скоростью дополнительное изменение переносной скорости может быть вызвано только наличием ненулевого ускорения, которое приобретет точка С в этом движении. Направление вектора этого ускорения a₂— совпадает  с направлением вектора изменения переносной скоростиdv_пер—.

a₂ = dv_пер / dt = ω_пер * v_отн

11. Появление вектора изменения переносной скоростиdvц_пер— вызвано переносным движением (вращением)! На точку C действует переносное ускорение a_пер – в нашем случае центростремительное, вектор которого направлен к центру вращения точке O.

a_пер2 = ω_пер2 * S₂

В нашем примере это ускорение действует и в начальный момент времени (в положении №1), его значение равно:

a_пер1 = ω_пер2 * S₁

12. Векторыa₁—иa₂— имеют одинаковое направление! На рисунке это визуально не совсем так по причине невозможности начертить понятную схему при близком к нулю угле поворотаdφ. Чтобы найти полное добавочное ускорение точки C, которое она получила из-за изменения вектора относительной скорости v_отн1—в переносном движении и вектора переносной скоростиv_пер1— в относительном движении необходимо сложить векторыa₁—иa₂—. Это и есть ускорение Кориолиса точки C.

a_кор—= a₁—+ a₂—

a_кор = a₁ + a₂ = 2 * ω_пер * v_отн

13. Основные зависимости скорости и ускорения точки C в неподвижной системе координат в векторной и абсолютной формах для нашего примера выглядят так:

v—= v_отн— + v_пер—

v = (v_отн2 + ω_пер2 * S2)0,5

a— = a_пер—+ a_кор—

a = (ω_пер4 * S2 + a_кор2)0,5 = (ω_пер4 * S2 + 4 * ω_пер2 * v_отн2)0,5

Итоги и выводы

Ускорение Кориолиса возникает при сложном движении точки только при одновременном выполнении трех независимых условий:

1. Переносное движение должно быть вращательным. То есть угловая скорость переносного движения должна быть не равна нулю.

2. Направление относительного движения не должно быть параллельно оси переносного вращения.

3. Относительное движение должно быть поступательным. То есть линейная скорость относительного движения не должна быть равна нулю.

Для определения направления вектора ускорения Кориолиса необходимо повернуть вектор линейной относительной скорости на 90° в сторону переносного вращения.

Если точка обладает массой, то согласно второму закону Ньютона кориолисово ускорение  совместно с массой создадут силу инерции, направленную в сторону противоположную вектору ускорения. Это и есть сила Кориолиса!

Именно сила Кориолиса, действуя на некотором плече, создает момент, который называется гироскопическим моментом!

О гироскопических явлениях можно прочитать в целом ряде других статей этого блога.

В этой статье мне, как всегда, хотелось кратко и доходчиво рассказать о весьма непростых понятиях – об ускорении и силе Кориолиса. Удалось это или нет с интересом прочту в Ваших комментариях, уважаемые читатели!