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自然科普：到底能不能在馬桶裏看到科氏力的漩渦？

來源：科普中國

發布時間：2023-02-02

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版權歸原作者所有，如有侵權，請聯係我們(men)

地球上，有十分之一的人眼中的日常現象其實和我們(men) 大部分人並不一樣。

比如，他們(men) 看不到北極星，他們(men) 看到的台風（“旋風”）是順時針轉的，他們(men) 看到陡峭河岸往往位於(yu) 河流的左側(ce) ......

因為(wei) ，他們(men) 生活在南半球。與(yu) 此相對的，北半球大陸的麵積比南半球大得多，承載著世界上近90%的人口。

由於(yu) 分屬於(yu) 南北兩(liang) 個(ge) 半球，地球上的一些自然現象卻呈現出相反的規律，這背後最為(wei) 我們(men) 熟知的原因就是地轉偏向力（科氏力）。

被誤解的地轉偏向力

在地理課本中，科氏力又被稱為(wei) 地轉偏向力。

提到科氏力，許多人往往將它和地球的自旋關(guan) 聯起來，但實際上，純粹的“地轉偏向力”並不存在，這兩(liang) 個(ge) 力在英文中隻有一個(ge) 統一的名稱“Coriolis force”。

物理學中認為(wei) ，包括地球在內(nei) 的任何自身旋轉物體(ti) ，都有可能會(hui) 產(chan) 生科氏力。

科氏力來源於(yu) 一位法國工程師——古斯塔夫▪賈斯帕德▪科裏奧利（Gustave Gaspard de Coriolis），他在研究水輪旋轉的能量轉化時發現了它，科氏力之名也由此而來。起初，科氏力和大氣以及地球的自轉“八竿子打不著”，它們(men) 分別應用在各自的領域中。

科氏力最初是由科裏奧利在水輪上發現的（圖片來源：amatterofind）

和離心力類似，在嚴(yan) 格的物理定義(yi) 中，科氏力並不是實際存在的作用力，它是為(wei) 了與(yu) 當地參考係保持一致而引入的一種效應（科氏效應）。

雖然“不存在”，但由於(yu) 科氏力的概念易於(yu) 理解，因此被廣為(wei) 流傳(chuan) 、廣泛應用。

在地球上，幾乎所有水平運動的物體(ti) 都會(hui) 受到科氏力的作用（除了在赤道上的物體(ti) ），當它沿著一條直線移動時，隨著距離的增加，它的軌跡逐漸發生了彎曲。

“不識廬山真麵目，隻緣身在此山中”，從(cong) 某種意義(yi) 上來說，運動物體(ti) 眼中的直線是以其腳下的地麵為(wei) 參考係的，而在旁人的眼中，由於(yu) 地球的自轉，這條直線其實一開始就是一條曲線。

是不是有點難以理解？

伽利略在提出相對性原理時舉(ju) 過這樣一個(ge) 例子：假設在一個(ge) 平靜的湖麵上，有一艘勻速直線行駛的大船，將所有的窗戶都關(guan) 上。那麽(me) ，船上的人是否能分辨出這艘船是靜止的，還是勻速直線運動的？

伽利略的輪船思想實驗（圖片來源：Physics Central）

結果顯然不能。由於(yu) 慣性的控製，船艙內(nei) 所做的一切力學實驗的結果和在靜止的船艙裏沒有任何區別。

同樣的，當我們(men) 身處在勻速行駛的飛機、火車以及電梯中，往往也會(hui) 產(chan) 生“它們(men) 是靜止的”這樣一種錯覺。

但地球並不是一艘勻速行駛的船，它始終沿著地軸進行自轉。在地球上所有物體(ti) 的麵前，至少擺著兩(liang) 套參考係，一套是以自身為(wei) 原點的自身參考係，另一套則是以地心為(wei) 原點，始終在自轉的地球參考係。

當然，你還可以建立以太陽為(wei) 圓心的太陽坐標係等其它無數個(ge) 坐標係。

而科氏力作為(wei) 一種慣性力，它並不是一種力，形象地說，它更像一座橫跨兩(liang) 套參考係的橋梁。

對於(yu) 在地球上靜止不動的物體(ti) ，它們(men) 會(hui) 和上一時刻保持相同的運動狀態，不論是在自身參考係還是在地球參考係，它們(men) 都處於(yu) 靜止狀態，科氏力隻能“幹瞪眼”，發揮不了作用。

在地球表麵（非赤道）移動的物體(ti) 同樣也可以選擇這兩(liang) 套參考係，但身處不同參考係，它的運動狀態卻有了差異。當它筆直向前運動時，它的軌跡在自身參考係中是一條直線，而將其軌跡投影在地球表麵，則是一條曲線。仿佛有一隻無形的手（科氏力）把直線給掰彎了，這條曲線是由旋轉的地球和自身的直線軌跡疊加而成的，這就是地球上科氏力的本來麵目。

那南北半球的科氏力方向為(wei) 什麽(me) 是相反的？

因為(wei) 地球是圓的。盡管地球在自西向東(dong) 自轉，但當我們(men) 處於(yu) 南北半球高空中向下俯瞰（高度要足夠），就會(hui) 發現，在兩(liang) 個(ge) 半球看到地球的旋轉方向是相反的：北極視角逆時針旋轉，南極視角順時針旋轉。這也是南北半球科氏力方向相反的原因。

南北半球相反的科氏力（圖片來源：pressbooks）

高緯度兩(liang) 極地區的旋轉線速度最大，科氏力也大。盡管赤道上也存在旋轉線速度，但它正好和地球的旋轉方向完全一致，赤道似乎可以是順時針旋轉，又可以是逆時針旋轉，這個(ge) 爭(zheng) 議地帶就成為(wei) 了科氏力的禁區（一條無限細的環線）。

洗手池裏的小漩渦！

當然，不僅(jin) 是風、洋流和飛機會(hui) 受到科氏力的影響，地球上幾乎任何在水平方向運動的物體(ti) 都會(hui) 受到地轉偏向力的作用，甚至包括馬桶裏的水。

馬桶中旋轉的水流（圖片來源：Mental Floss）

在最理想的狀況下，北半球的馬桶、浴缸以及洗手池中的水流可以產(chan) 生逆時針的漩渦，但由於(yu) 科氏力極其微弱，外加噴水方向、水池的形狀以及外界其他因素的幹擾，旋轉方向往往存在極大的不確定性。

因此，要想真真切切用肉眼觀察到“科氏力在馬桶中產(chan) 生的漩渦”極為(wei) 困難。幾乎所有的書(shu) 本、網站甚至老師都會(hui) 說，日常所看到的水池裏產(chan) 生的漩渦並不是科氏力導致的。

但世界上的各個(ge) 角落裏，都不免有那麽(me) 幾個(ge) 喜歡抬杠又愛鑽牛角尖的科學家，而麻省理工大學的流體(ti) 力學教授阿舍爾·夏皮羅（Ascher Shapiro）就是其中之一。

他認為(wei) ，如果不受任何因素的幹擾，即使水池再小，科氏力一定會(hui) 留下屬於(yu) 它的漩渦，能夠被我們(men) 捕捉到！

盡管許多科學家都明白這個(ge) 道理，但卻幾乎沒有人有勇氣去做實驗驗證。因為(wei) 這個(ge) 似乎在家中廚房裏都可以完成的簡單實驗，實際上存在著一些不可預知的困難。

水池中的漩渦（圖片來源：technologyreview）

1962年，夏皮羅決(jue) 定嚐試挑戰這個(ge) 難題。麻省理工大學所在的緯度是42°，在流速近乎5 mm/s時，科氏力隻有當地重力的3000萬(wan) 分之一，為(wei) 了排除所有因素的幹擾，他對測試的各個(ge) 細節都進行了精心設計。

首先，他選擇了一個(ge) 直徑約為(wei) 1.8米，深度約為(wei) 0.15米的圓柱形水池，底部中間有一個(ge) 直徑約為(wei) 1厘米的排水孔，並用塞子進行密封。

此外，他還盡量去除水中的雜質，並調節室內(nei) 的溫度來控製溫度的變化。而為(wei) 了防止氣流的幹擾，他還在水池的頂部覆蓋了一層塑料薄膜。

最容易忽略的一點是，水池充滿水後，水體(ti) 還會(hui) 殘留微小的運動，這甚至會(hui) 存在數個(ge) 小時。為(wei) 了完全規避掉這部分運動的影響，夏皮羅將水池中的水順時針攪拌旋轉，以抵消科氏力在北半球產(chan) 生的逆時針的漩渦。

經過24小時的沉澱後，夏皮羅小心翼翼地拔下塞子。

在前12-15分鍾，他幾乎觀察不到任何旋轉的痕跡。然而，隨著時間一分一秒地流逝，在不知不覺中，漩渦逐漸顯示出了逆時針的旋轉狀態。

在各因素被嚴(yan) 格控製的條件下，夏皮羅最終印證了北半球的科氏力，確實可以使水池中的漩渦發生逆時針旋轉。

就這？這個(ge) 實驗看起來難度也不大，我們(men) 好像在自家的廚房裏也可以完成，但其他人為(wei) 什麽(me) 沒有成功呢？

一方麵，其他人可能忽視了水的殘留運動。他們(men) 認為(wei) 在水池中的水在3-4個(ge) 小時之後就已經完全靜止了。

另外，由於(yu) 在實驗開始前的十多分鍾內(nei) ，幾乎捕捉不到旋轉的痕跡，且一部分實驗者設計的水池可能過小，因此還未等到漩渦出現時，水池中的水早已流失殆盡了。又或是一部分實驗者在觀察了一段時間後失去了耐心，而在成功的黎明前草草放棄。

為(wei) 了更加嚴(yan) 謹，三年之後，悉尼大學的學者在南半球又做了一次相似的實驗，結果也出現了順時針旋轉的漩渦。至此，“水池裏看不到科氏力產(chan) 生的漩渦”這個(ge) 廣為(wei) 流傳(chuan) 的誤解被徹底粉碎。

緩慢旋轉的漩渦（圖源：ffden）

兩(liang) 組實驗的結果都發表在了《Nature》上，這隨即引發了世界各個(ge) 國家讀者的質疑。在那個(ge) 沒有互聯網的年代裏，作者和讀者隻能通過信件來溝通。從(cong) 發表開始，到十多年之後，夏皮羅還是會(hui) 收到來自各地的信件，內(nei) 容幾乎全是關(guan) 於(yu) “水池漩渦”。

今天，在麻省理工大學的檔案館中，我們(men) 仍可以看到一個(ge) 褪色的文件夾，裏麵裝滿了讀者發來的郵件以及夏皮羅謹慎而細致的回信。

科氏力：比你想象得更“無處不在”

科氏力並不會(hui) 對我們(men) 的日常生活產(chan) 生很大影響，它隻有在高速運動的物體(ti) 上才會(hui) 充分顯現出來。但對狙擊手而言，高速飛行的子彈若是受到科氏力的影響，則是致命的。

實際上，狙擊並非是遊戲中簡單酣暢的瞄準射擊，超遠距離的狙擊也並非完全符合“目標-瞄準鏡-眼睛”三點一線的原理。

國外“地平主義(yi) 者”眼中的射擊，他們(men) 同樣否認科氏力的存在（圖片來源：thetruthaboutguns）

在扣下扳機的瞬間外，狙擊手更多的工作在於(yu) 感受當地的溫濕度、風速和風向，並考慮空氣阻力、重力以及當地緯度下科氏力的影響。

當麵對極其複雜的擊殺任務時，狙擊手甚至還會(hui) 和副手（觀察手）使用紙筆進行數學計算，及時調整瞄準鏡，否則毫厘之差也可能導致任務的失敗。

哈勃望遠鏡拍攝的星係照片（圖片來源：bfmtv）

當然，科氏力並非隻出現在地球上，任何星球都會(hui) 受到科氏力的影響。因為(wei) 地球的自轉速度較慢，所以科氏效應並不明顯。

木星是太陽係中自轉速度最快的行星，其風速高達每小時610公裏。在這裏，科氏力“如魚得水”，甚至可以將南北風轉化為(wei) 東(dong) 西風。

火星通常被稱為(wei) 地球的姊妹星，但實際上，與(yu) 地球具有最多共同特征的星球是金星，金星距離地球最近，並且二者的大小幾乎相同，構造相差不大，且都有濃厚的大氣層。

隻是金星是自東(dong) 向西進行自轉（逆轉）。因此，金星南半球的科氏力現象與(yu) 地球的北半球完全相似。星球之間各不相同，但又遵循著相似的規律。

無辜躺槍：“遇事不決(jue) ，科氏力學”

認識到了科氏力的存在後，有些人往往想把世界上所有的現象都與(yu) 科氏力聯係起來。比如，靠右行駛的交通規則。

他們(men) 說：北半球的汽車在科氏力的作用下傾(qing) 向於(yu) 偏向道路的兩(liang) 側(ce) ，如果左行的話，它們(men) 容易與(yu) 對麵過來的車輛相撞，發生車禍。

這聽起來似乎很有道理，許多南半球國家也確實按照左行的交通規則。但實際上，這和科氏力沒有絲(si) 毫關(guan) 係。

全球有163個(ge) 國家和地區以右行為(wei) 交通規範，而76個(ge) 國家則使用左行的規則，包括英國以及南非、澳大利亞(ya) 和新西蘭(lan) 等前英國殖民地國家。

行駛規則不同的具體(ti) 原因可以追溯到中世紀的英國騎士，他們(men) 在決(jue) 鬥時，右手持用武器，因此馬匹靠近左側(ce) ；即使工業(ye) 革命之後，馬匹換成了汽車，這個(ge) 傳(chuan) 統也被沿襲了下來。而18世紀的英國號稱“日不落帝國”，它也把右駕左行的交通規則也帶到了各個(ge) 殖民地。