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順時鐘逆時鐘?南北半球的馬桶水流真的不一樣?

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當你拔掉浴缸的拴子放掉洗澡水時,看著排水口的水流轉阿轉阿的……有多少人試過用手去強制逼水流漩渦往反方向旋轉…(有的請舉手)?但是常常漩渦方向改變後沒多久,它又改回原本的方向了。這時大部分的人甚至學校老師都會跟你說:「造成漩渦的這個現象的主因是科氏力,在南半球的話就會發現漩渦的方向和北半球相反噢!」。

最近網路上更流傳著一則在赤道國家拍的短片,影片中有三個水盆,一個放在北半球邊、一個放在南半球邊,然後非常犯賤的,最後一個當然在放在赤道上。三個盆子中間都有一個排水孔,裝滿水後他們在水面上放一朵小花,以便在放水時看出水流的方向。

影片中的結果是在北半球時水會以順時鐘的方向流出,南半球會以逆時鐘的方向流出,在赤道時完全沒有漩渦產生的直直流出!這影片到底是真是假?真的有這麼神奇差個幾公尺就會有如此奇妙的現象?在破解這個現象之前,我們得先了解到底什麼是科氏力。

科氏力 Coriolis Effect

科氏力所造成的現象可以用這段影片來示意:

影片中的兩個人在旋轉平台靜止的時候都可以互相把球直直的傳到對面的人手中,但是當平台開始旋轉時,一樣是把球瞄準對面的人直直丟出,球卻會以一個拋物線的方式往旁偏,此現象就是科氏力所造成的問題。

這一切都跟觀察者的相對角度有關。當我們站在一個絕對旁觀的立場來看的時候,可以看出被丟出的球或任何東西其實都是依它原來的路徑前進,這正是古典物理學中牛頓的第一定律所說的:動者恆動,靜者恆靜,在沒有外力的干擾下物體會照原來的運動方式繼續運動,在被丟出去的球這個例子中,球應該繼續直線前進才對(先不管受地心引力影響往下掉的部份)。

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那為什麼我們會覺得直直拋出去的球正在以拋物線的方式往旁邊偏呢?那是因為我們沒站在旁觀者的立場,我們站在當事者的立場觀察而且這個觀察視角正是一個旋轉的觀察平台,我們覺得自己沒有在動,是球改變了方向,但是事實是球沒有在改變方向,只是我們自己在動。這就是科氏力的基本概念。

這個現象在1835年被法國科學家Gaspard-Gustave Coriolis 第一次以數學和物理的公式來解釋[1],因此後來就把此現象稱作Coriolis Effect(科氏力現象)。與科氏力有關的公式[2]比較複雜所以在這裡就先不多做說明了。

生活中的科氏力

我們的生活為什麼會跟科氏力有分不開的關係正是因為我們活在地球上,地球以一天一圈的速率不停地旋轉著,我們不會覺得自己頭昏眼花而且走路都能直直走,一則是因為我們已經習慣在這個第一人稱的觀察者視角裡生活,另一則是因為我們的活動都是在非常小的範圍內,不足以被科氏力影響。

當你要傳球給一壘手時,先假設你的球很準技術很好而且當時並沒有颱風,為什麼球會直直的進到壘手的手套裡而沒因為地球旋轉造成暴傳?正是因為那個距離相對於地球的直徑以及旋轉速率實在太微不足道,造成的偏差效果遠遠在感官觀察的到的範圍之下。但是如果今天北韓政府決定向世界開戰並用超長程洲際飛彈射往美國白宮的話,假設他們缺乏會精確計算科氏力的工程師,只是拿著一張地圖以及指南針對準白宮的方向發射,這個飛彈的落點會偏的非常非常遠。關於地圖和方位請另外請參照 〈麥卡托投影〉

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另一個生活常見的例子就是颱風以及颶風,颱風其實就是一個低氣壓中心,空氣就和水一樣,都會從高壓處流往低壓處,但是此時空氣並不是以直線的方式流向低氣壓中心,而是受到科氏力的影響而產生了偏轉,在北半球的颱風或颶風會產生逆時鐘旋轉的氣旋,在南半球則會產生順時鐘旋轉的氣旋。有趣的是,在赤道附近科氏力非常微弱(在緯度南北五度以內的科氏力都非常微弱),即使有低氣壓也很難形成氣旋,沒有氣旋就無法產生颱風,所以這也是為何赤道附近幾乎沒有颱風或颶風的一個原因[3]。

螢幕快照 2014-11-18 下午5.08.35

所以科氏力到底能不能影響馬桶水流?

答案是否定的,因為科氏力與地球旋轉的速率有關,而這個力量其實是很微弱的因為地球的旋轉速率大約是每天一圈(每圈/86400秒),你的浴缸或是馬桶裡面的水可能一秒就轉好幾圈了,在旋轉的角速率上有了上千甚至上萬倍的差距,因此今天要是有人無聊到把同樣的馬桶從北半球搬到南半球,他會很失望的發現水流的結果是一樣的。

所以到底是什麼在決定水流旋轉的方向?事實是有太多因素能影響了,最大的兩個因素就是浴缸或馬桶的結構,只要有任何的不對稱或些微的表面不平均就可以造成水流的方向改變。即使容器表面可以做到完完全全對稱毫無瑕疵,任何一點點在漏水之前的餘留水流或水波都能改變水流旋轉的方向(你不小心吹了一口氣也會影響水波)[4]。

所以簡單來說日常生活能觀察的到的水流旋轉方向都不是因為南北半球差異所造成的啦,一開頭的影片最有可能的解釋就是這幾個水盆本來的設計就不太平均,今天如果把放在南北半球的兩個水盆交換位置擺放可能也不會改變水流的結果噢。

參考資料:

  1. G-G Coriolis (1835). “Sur les équations du mouvement relatif des systèmes de corps". J. de l’Ecole royale polytechnique 15: 144–154.
  2. Hestenes, David (1990). New Foundations for Classical Mechanics. The Netherlands: Kluwer Academic Publishers. p. 312.
  3. John M. Wallace and Peter V. Hobbs (1977). Atmospheric Science: An Introductory Survey. Academic Press, Inc. pp. 368–371.
  4. Y. A. Stepanyants and G. H. Yeoh (2008). “Stationary bathtub vortices and a critical regime of liquid discharge". Journal of Fluid Mechanics 604 (1): 77–98.
  5. “Coriolis Effect"
  6. Everyday Mysteries
  7. Getting Around The Coriolis Force

關於作者

卓然

PanSci 實習編輯,陽明大學生物醫學技術暨檢驗學系畢業。對科學新知總是充滿興趣與好奇,對各種事情都保持懷疑和謹慎的態度所以常常被覺得人很機歪,但我真的只是想要很科學而已啊!