Влияет ли вращение Земли на туалеты и бейсбол?

[Carder]

Вы бы поверили, что на направление воды в этом унитазе повлияло вращение Земли? Не думаю.

Философы, ученые и астрономы с незапамятных времен решают самые насущные вопросы жизни. Они убедили нас, что Земля действительно круглая, что она вращается вокруг Солнца и что она вращается вокруг своей оси примерно каждые 24 часа. Тем не менее, они, похоже, не могут согласиться с ролью, которую ротация играет в смыве туалетов и перемещении бейсбольных мячей.

Популярная культура и раньше решала загадку смыва унитаза. В классическом эпизоде «Симпсонов» Лиза убеждает скептически настроенного Барта, что стоки в Северном полушарии всегда пустые слева (против часовой стрелки), а в Южном полушарии пустые - справа (по часовой стрелке).

Предпосылка для этого неприятного вопроса - явление, известное как эффект Кориолиса. По сути, эффект Кориолиса относится к тому, как вращение Земли на восток влияет на то, как мы видим направление движения определенных движущихся объектов. На экваторе, где диаметр Земли составляет около 24 900 миль (40 076 километров), земля движется со скоростью более 1000 миль в час (1609 километров в час). По мере того как мы приближаемся к полюсам, земля движется намного медленнее. Например, на 60 градусах северной широты земля движется примерно вдвое меньшей скорости.

В Северном полушарии это означает, что объект, движущийся от экватора к полюсам, будет отклоняться вправо, потому что он сохраняет больший импульс места своего происхождения. На обратном пути объект снова повернется вправо - на этот раз потому, что у него не было такого большого начального импульса. В Южном полушарии эффект обратный; объекты будут отклоняться влево.

Хотя Барт Симпсон так и не разобрался в головоломке Кориолиса - несмотря на звонок в Австралию на сумму 900 долларов - эта статья объяснит, что является правдой об эффекте Кориолиса и что все это крутится.

Кориолис: что это такое​

Эта вещь? Не подходит для эффекта Кориолиса.

Хотя некоторые объяснения эффекта Кориолиса основаны на сложных уравнениях и запутанном научном жаргоне, есть более простой способ визуализировать его: вообразите себя в центре карусели (символизирующей Северный полюс), вращающейся против часовой стрелки. Если вы бросите мяч прямо напротив человека на противоположной стороне (экватора), будет казаться, что мяч поворачивает вправо, потому что этот человек движется быстрее вас.

Иногда эффект Кориолиса называют силой Кориолиса. Причина проста: заставляя объект ускоряться, кажется, что он меняет направление этого объекта. Однако сила Кориолиса не является типичной силой, такой как толчок или тяга. Эффект фактически основан на точке зрения наблюдателя. На самом деле сила не действует на объект, чтобы сбить его с курса; он просто кажется изогнутым из-за земного движение под ним. Для человека, стоящего за пределами вращающейся системы координат, объект все еще движется по прямой линии. Поскольку так называемая сила Кориолиса на самом деле не действует на объект, чтобы изменить его курс, некоторые люди утверждают, что правильнее называть ее эффектом Кориолиса. Другие проводят различие между силой Кориолиса и другими (действительными) силами, классифицируя ее как инерционную или фиктивную силу.
Теперь, когда вы лучше понимаете, что такое эффект Кориолиса, вы также должны знать, чем он не является. Самое главное, что это не какая-то всемогущая сила, которая воздействует на каждый движущийся объект на планете. Реальные силы, такие как гравитация, могут конкурировать с эффектом Кориолиса или даже подавлять его. Это соревнование, скорее всего, произойдет с небольшими объектами, которые не перемещаются очень быстро или далеко.

Давайте еще раз рассмотрим пример карусели. В отличие от Земли, эта карусель совершает полный оборот несколько раз в минуту. Наша планета, с другой стороны, просто вращается каждые 24 часа - этого недостаточно, чтобы повлиять на игру в улов или смыв туалета. Даже торнадо слишком малы, чтобы на них воздействовала «сила» Кориолиса. Узнайте, почему именно дальше.

Эффект Кориолиса: мифы и заблуждения​

Если эффект Кориолиса заставляет некоторые объекты менять направление, почему он не влияет на торнадо или туалетную воду?
Хотя предположение имеет смысл - вращение Земли на восток вызовет также вращение воды в унитазе - на самом деле сила и скорость, с которыми вода входит и выходит из унитаза, слишком велики, чтобы на нее влияли что-то столь же крохотное, как один поворот на 360 градусов за день. Если все сказано и сделано, эффект Кориолиса играет не большую роль в смывании унитаза и бейсбольных играх, чем в революции компакт-дисков в вашей стереосистеме. Вещи, которые действительно определяют направление, в котором вода покидает ваш унитаз или раковину, - это форма чаши и угол, под которым жидкость изначально входит в нее.

Эффект Кориолиса может играть небольшую роль в направлении вращения торнадо - если обстоятельства благоприятны. Однако чаще всего это направление определяется штормовой системой, которая в первую очередь породила смерч. Эти штормовые системы, или суперячейки, возникают, когда сухой полярный воздух сталкивается с влажным тропическим воздухом и создает восходящий поток, поскольку более теплый воздух быстро поднимается. По мере того, как воздух движется вверх, увеличение скорости ветра вызывает характерное вращение торнадо.

Точно так же «Нью-Йорк Янкиз», «Лос-Анджелес Доджерс» и другие элитные бейсбольные команды не могут доверять своим достижениям научным феноменам. Все могло бы быть иначе, если бы первая база находилась на экваторе, а третья - на Северном полюсе. Но на небольшом расстоянии между насыпью питчера и ящиком для теста эффект Кориолиса не получает особой силы. Даже самый устрашающий близкий человек не заметил бы большой разницы в расположении своего фастбола из-за вращения Земли, чем из-за порывистого ветра.

Медленно вращающиеся раковины
Как вы теперь знаете, эффект Кориолиса недостаточно силен, чтобы повлиять на то, как сливается обычная раковина. Такие вещи, как гравитация и неоднородности формы раковины, могут подавить любые эффекты вращения Земли. Однако, как обнаружили некоторые, возможно, чрезмерно любопытные ученые, если исключить все посторонние факторы, эффект Кориолиса действительно может определить направление отвода воды. Однако вы вряд ли когда-нибудь увидите это в действии: ученым приходилось оставлять воду неподвижной более трех недель, а затем позволять сливу стекать по одной капле за раз. Это позволило ослабить внешние воздействия (например, токи) и дать эффекту Кориолиса шанс сделать свое дело.

Эффект Кориолиса в действии​

Хотя эффект Кориолиса не определяет направление смыва унитаза или шарнирных пальцев, он оказывает значительное влияние на погодные условия. Если вы когда-либо смотрели The Weather Channel, вы, вероятно, заметили все эти стрелки, кружащиеся вокруг карты метеоролога, чтобы указать направление ветра. Направление, на которое указывают эти стрелки, во многом определяется эффектом Кориолиса.

Если бы Земля не вращалась, ветер двигался бы либо на север, либо на юг из-за разницы в температуре и давлении на разных широтах. Но поскольку Земля действительно вращается, сила Кориолиса отклоняет эти ветры вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии.

В Северном полушарии это отклонение заставляет поток ветра вокруг систем высокого давления двигаться по часовой стрелке, в то время как поток вокруг систем низкого давления движется против часовой стрелки. Представьте себе систему низкого давления как вакуум, который всасывает весь окружающий воздух прямо к себе, создавая множество векторов ветра, которые сосредоточены в одной точке. Из-за эффекта Кориолиса каждый из этих векторов скручивается вправо, что, в свою очередь, создает поток против часовой стрелки. В системе высокого давления воздух вытесняется наружу, и вращение Земли на восток создает поток по часовой стрелке. В Южном полушарии происходит обратное: ветер вокруг систем с низким давлением вращается по часовой стрелке, а ветер вокруг систем с высоким давлением - против часовой стрелки.

Вихревые движения вокруг систем низкого давления на самом деле являются движущей силой ураганов. Воздух всасывается с такой силой и вращается до такой степени, что возникает потенциально разрушительный шторм. Теплая океанская вода питает систему, и, если она получит шанс разрастаться в течение определенного периода времени, мощные ветры со скоростью более 62 миль в час (100 километров в час) могут сформировать шторм, достаточно сильный, чтобы уничтожить все на своем пути - все просто от вращения нашей маленькой планеты.

Кривизна ветра, создаваемая эффектом Кориолиса, также помогает создавать поверхностные океанические течения. Ветер волочится по поверхности воды, создавая спиральные течения, называемые круговоротами. Как вы уже догадались, круговороты в Северном полушарии вращаются по часовой стрелке, а в Южном полушарии - против часовой стрелки.
Не только метеорологам и морякам приходится бороться с эффектом Кориолиса. Поскольку воздушные суда преодолевают большие расстояния за короткий промежуток времени, пилоты также должны учитывать это влияние при прокладке маршрутов своих полетов. Например, самолет, направлявшийся из Майами (где вращение Земли более выражено) в Нью-Йорк, оказался бы в Атлантическом океане, если бы пилот проигнорировал эффекты вращения Земли.

Наблюдение за эффектом Кориолиса в реальной жизни​

Когда он бросит мяч, изменится ли вращение Земли, куда она идет?

Если у вас есть много терпения, вы можете увидеть доказательство эффекта Кориолиса на движение объекта с помощью устройства, известного как маятник Фуко. Эти маятники можно найти в нескольких местах по всему миру, и они считаются лучшими в своем роде. Названные в честь французского ученого Леона Фуко, эти массивные экспериментальные устройства были разработаны, чтобы показать, как Земля вращается вокруг своей оси. Вы можете найти их в университетах и планетариях по всему миру.

Маятник Фуко закреплен на шарикоподшипнике, имеет очень большую массу маятника и сверхдлинную струну, поэтому он может медленно качаться и противостоять воздействию сопротивления воздуха. Поскольку маятник не имеет внешних сил, влияющих на его движение, единственное, что на него действует, - это вращение Земли под ним. Во время качания эффект Кориолиса заставляет маятник отклоняться в сторону и медленно менять плоскость качания. Примерно через 24 часа мучительного ожидания вы увидите, что он сделал один полный оборот.

Если у вас не так много времени на убийство, вы все равно можете наблюдать эффект Кориолиса в действии. Хотя эффект Кориолиса оказывает незначительное влияние на бейсбольные мячи, он может повлиять на траекторию очень быстрых дальнобойных снарядов, таких как ракеты и летящие пули. Во время Первой мировой войны немцам пришлось компенсировать движение Земли, поскольку они стреляли по Парижу из чрезвычайно тяжелой гаубицы, которую они назвали Большой Бертой. Если бы они не приняли во внимание эффект Кориолиса, их снаряды, выпущенные с расстояния 70 миль (112,6 км), отклонились бы почти на милю (1,6 км).

Итак, хотя некоторые могут назвать силу Кориолиса мнимой, ее эффекты могут быть вполне реальными. Просто сделайте всем одолжение и постарайтесь не оставлять унитаз незабываемым в течение трех недель, чтобы доказать это.