放水时总是出现逆时针旋转探究

关于放水时总是出现逆时针旋转的探究

现象：

浴缸中的水被放走时，在漏孔四周出现一边旋转一边汇合的现象，并且不管你如何搅动，停止搅动后，水的流动图象总是逆时针方向的旋汇。

猜想：

1、 与浴缸的本身结构有关。浴缸的放水口可能存在螺纹导致水的旋转方向总是逆时针。

2、 与月球绕地球的运行轨迹有关。月球绕地球运行导致了潮起潮落，也可能导致了浴缸中水总是朝逆时针方向旋转。

3、 与地球本身的自转有关。地球的自转惯性导致了地球上的所有物体都拥有了地球自转的偏向力。

分析：

查找资料发现，自然界中普遍存在这种现象，不仅仅是浴缸放水时会形成逆时针方向的旋转。比如平原上的飓风，龙卷风，比如藤蔓植物自然生长也是朝逆时针方向，比如我国的河流总是东岸冲刷的比西岸更加厉害等等。但是能够找到他们明显的共同点，这些现象都是发生在北半球的。

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针对猜想1，较容易验证这个猜想的正误，可以换一个浴缸或盥洗台，比较所有的出水口现象是否未发生改变。若每个出水口形成的漩涡方向不尽相同，则可以初步判定这个猜想是正确的。若每个出水口形成的漩涡都相同，则可以排除这个猜想。

对于猜想2，我们知道月球绕地球的轨迹是一个近似椭圆的轨道。而结合潮汐的周期我们也能发现，月球对地球表面物体的引力斥力是有一定的周期性的，这个力不会一直存在。下图显示同一个地方出现月球对地表物体的力需要29.5天。所以对于这种一直存在且很稳定的现象，月球对于地表物体的力这个理论是无法解释的。因此可以排除猜想2.

对于猜想3，因为地球的自转是自西向东的，所以对于北半球和南半球来说，地转偏向力应该就地理位置来讨论。对于北半球来说，自西向东就给予了地表物体一个逆时针方向的偏转力;对于南半球来说，自西向东则给予了地表物体一个顺时针方向的偏转力。地球自转影响下，地球上各种想做直线运动的东西都会受到影响。查阅资料可以知道，这其中和速度方向垂直的部分叫地转偏向力，或者科里奥历力。估算科里奥历力的影响很容易：F’=-2mW*v’，其加速度大小就是|F’/m|=2Wv’。 这个W是地球自转的角速度，如果PI是圆周率、T是地球自转周期，那么W大约是W=2 PI/T，结果大约是国际单位下万分之一；v’是水流在转动系内部的相对速度，也就是眼前能看到的水流速度。

带入数据可以粗略得出：

a=|F’/m|=2Wv’=2PI* v’/T=5.8*10 – 5m/s2

也就是说大约3分钟左右偏过1度。这个影响力可以完全影响规模巨大的飓风，龙卷风，以及长时间受力的藤蔓或河流。但是很难在短时间内足够大的影响出水口的水流漩涡方向。

这个影响很小，所以如果浴缸之外的影响太大，比如用手搅动一下，或者有强劲的水龙头往里放水，那么旋涡方向应该是和外界的干扰一致的；但是另一方面这个影响是持之以恒的，外界干扰撤掉后，如果时间够长，那么旋转方向还是会变成逆时针。所以关键得看外界干扰如何，比如抽水马桶，水流一开始的速度和方向，受马桶内出水口的设计影响。假如浴缸放水时间足够长，那么在外界的干扰停止过后，还有足够长的一段时间让科里奥历力F去恢复水流漩涡的逆时针转动的方向，那么最后旋涡的方向应该还是和地球自转有关。如若浴缸的放水时间不足以让科里奥历力F去抵消外界的干扰并且恢复原有状态，那么水流的漩涡方向则取决于外界的干扰条件了。

实验:

一、 针对猜想一，我找到了两个出水口漏孔，一个是顺时针漏孔，另外一个是直筒的。先将顺时针漏孔安到盥洗台里后，用盆忘盥洗台里短时间内加入大量的水。然后再把直筒的漏孔安好，同样加水。分别观察漩涡的旋转方向。

在实验过程中，发现漩涡的形成方向与泼水时的用力方向有关。

现象记录如下：

顺时针漏孔：

1、 当开始泼水时就使水顺时针方向旋转时，则必然形成顺时针的漩涡。

2、 当开始泼水时使水逆时针方向旋转时，则一开始是逆时针方向漩涡，水量减少到一定程度后，水的初速度减小，又形成了顺时针方向的漩涡。

直筒漏孔：

1、 当开始泼水时使水顺时针方向旋转时，则形成了顺时针方向的漩涡。

2、 当开始泼水时使水逆时针方向旋转时，则形成了逆时针方向的漩涡。

3、 由于无法准确的控制水出手时到底是顺时针还是逆时针，所以当尝试着不给予水水平方向的初速度时，形成的漩涡有逆时针方向的也有顺时针方向的。

总结：

综上实验结果分析，形成的水流漩涡的方向由多种因素控制着。而实验表明：

1、 地转偏向力即科里奥历力F对漩涡方向的影响应该是小于泼水时赋予水的初速度V对漩涡方向的影响的。

2、 出水口漏孔对于漩涡方向的影响也是很大的，即使在科里奥历力的影响下，漩涡方向还是首先由出水口漏孔的构造形状决定。

3、 科里奥历力的确存在且能够对地表物体的运动状态造成一定的影响，浴缸的漩涡形成方向总是逆时针方向是由科里奥历力造成的。

4、 科里奥历力很容易受到外界条件的干扰，因为就地表的一些小物体或受力时间较短的物体来说，他们所受到的科里奥历力不足以克服外界干扰而使物体仍然按照科里奥历力所驱使的方向去运动。

总的来说，浴缸的水朝逆时针方向旋转是在北半球的地理位置下，足够长的科里奥历力克服若干外界细微干扰力的时间下，浴缸的出水口漏孔不是顺时针构造的情况下形成的一种因地转偏向力造成的现象。

陈思同

20120037

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/3f1dff583868011ca300a6c30c2259010202f3c6.html