Kilka słów o wirach w wannie i o tym co je kręci
Znacie wyzwanie, w którym chodzi o jak najszybsze opróżnienie butelki z wodą? Istnieje wiele sposobów, żeby to zrobić. Poczynając od wypicia wody, wylania jej powoli lub przechylenie butelki do góry dnem. W szczególności ta ostatnia metoda stwarza ciekawy efekt plumkania powodowany pojawieniem się w butelce podciśnienia i zasysania powietrza z otoczenia. Jednak, żadna z tych metod nie jest najszybsza. Aby zminimalizować czas trzeba zakręcić wodą w butelce i dopiero wtedy ją przechylić. Dzięki temu powietrze będzie przepływać przez pusty rdzeń, a ciśnienie w butelce będzie stałe i nie zaburzy wypływu. Czy zastanawialiście się jednak nad tym czemu wiry powstają w odpływie wanny? No i czy rzeczywiście woda kręci się w inną stronę na półkuli północnej i w inną na południowej? Dziś postaram się na to odpowiedzieć.
Kilka słów o wirach w wannie i o tym co je kręci
 |
| Rysunek 1. Tornado w butelce [Źródło] |
Tornado w butelce to jedno, zupełnie coś innego to prawdziwa trąba powietrzna, a jeszcze coś innego wir w zlewie. Dziś opowiemy sobie o tych ostatnich wirach powstających w skutek powstania pod zbiornikiem wodnym (w zasadzie zbiornikiem z cieczą) pustej przestrzeni. Może to być odpływ w zlewie, ale i pusta kopalnia, czy tunel. Musze wyraźnie zaznaczyć, że wiry o których dziś sobie powiemy są zupełnie czymś innym niż wiry powstające na rzece, a geneza ich powstania jest zupełnie różna. Przykładem może być tu dość słynny wir Corryvereckan w Szkocji, powstający na skutek niesamowitego ukształtowania terenu i obecności prądów morskich. Przejdźmy jednak do meritum.
Czy zastanawialiście się kiedyś dlaczego w wannie lub zlewie powstają wiry? Ja owszem, ale jeszcze do nie dawna nie miałem powodu, żeby się tym głębiej zainteresować. No i jak to zwykle bywa okazuje się, że sprawa nie jest taka prosta. Dogłębną analizą genezy wirów w wannie i różnego rodzaju innych zbiornikach zajęli się japońscy badacze już w 2012 roku i o zgrozo nie mam dostępu do tego artykułu. Co więcej w czasopiśmie, w którym opublikowano badania pojawiło się więcej publikacji odnośnie tej tematyki jednak kryją się one za płatnym dostępem - jak widać MNiSW nie przewidziało, że któryś z rodzimych naukowców zainteresuje się Journal of the Physical Society of Japan :) Nic strasznego poszukałem i znalazłem (źródło 3).
Jak się okazuje powstawanie wiru w wannie jest bardziej skomplikowane niż nam się wydaje. Zawdzięczamy go bowiem ruchowi ziemi, układu słonecznego, galaktyki... może trochę przesadzam. Zacznijmy od tego, że wanna czy zlew nie jest do końca idealnym środowiskiem do przeprowadzenia testów. Odpływ umieszczony jest zazwyczaj blisko jednej ze ścian, a kształt armatury jest często fikuśny i ma się zwyczajnie podobać, nie zaś służyć do testów. Z tego powodów większość testów przeprowadzanych jest w walcowych zbiornikach z odpływem umiejscowionym pośrodku. Wróćmy więc do ruchu obrotowego ziemi i całego wszechświata. Okazuje się, że tworzenie się wiru jest następstwem kumulowania sił powodujących obrót - w tym przypadku sił Coriolisa.
Obracająca się wokół własnej osi ziemia nieustannie zmusza nas do takiego samego ruchu. Gdy stoimy efekt ten jest niezauważalny, jednak gdy poruszamy się równolegle do osi obrotu Ziemi (z południa na północ lub odwrotnie) ziemia chce, żebyśmy poruszali się zgodnie z nią. Sprawa jest dosyć skomplikowana, ale dotyczy raczej wielkich zjawisk gdzie odległości, prędkości i masy są ogromne (chociaż jedno z nich). Przykładowo huragany, które obracają się głównie odwrotnie do kierunku wskazówek zegara gdy powstają na półkuli północnej i głównie zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara gdy powstają na półkuli południowej.
 |
| Rysunek 2. Huragan Rita, który uformował się nad wyspami Bahama - ruch przeciwny do wskazówek zegara [Źródło: Wiki] |
Podobnie jest z wodą. Długotrwały wypływ pozwala na nagromadzenie się drobnych wirów powodowanych przez siłę Coriolisa i w efekcie powstanie jednego wielkiego wiru widocznego przez obserwatora. Zjawisko to zostało potwierdzone w pracach naukowych oraz w ciekawym eksperymencie, o którym możecie przeczytać tu (eksperyment ten jest zasadniczo kumulacją dwóch różnych artykułów naukowych, z tymże w tych artykułach eksperyment powtórzono wielokrotnie). Jeżeli doświadczenie przeprowadzane jest na półkuli północnej woda zazwyczaj kręci się w lewo, jeśli na południowej w prawo. Naukowcy matematycznie zasymulowali również eksperyment, w którym wykluczono siłę Coriolisa i w efekcie powstanie wiru nie nastąpiło.
Podsumowując ruch obrotowy wody w jest efektem gromadzenia się niewielkich prądów wirowych powstających na skutek działania siły Coriolisa.
Czy jednak dlatego powstają wiry w wannie? Niestety raczej, nawet na pewno, nie. Siła Coriolisa jest niewielka i żeby przejęła dowodzenie woda powinna być w spoczynku, a warunki wypływu symetryczne (odpływ na środku wanny, konieczna jest chociażby jednak płaszczyzna symetrii). W innym przypadku wiry powstające w zlewie będą tylko pewną wypadkową wszelakich zjawisk i raz będą wirowały w lewo, a raz w prawo.
Ich powstawanie więżę się wiec raczej z kształtem odpływu, tym gdzie on się znajduje (geometria), ruchem początkowym wody i wieloma innymi zjawiskami, których sumę oddziaływania widzimy po kąpieli, albo podczas zmywania naczyń.
Ich powstawanie więżę się wiec raczej z kształtem odpływu, tym gdzie on się znajduje (geometria), ruchem początkowym wody i wieloma innymi zjawiskami, których sumę oddziaływania widzimy po kąpieli, albo podczas zmywania naczyń.
Czy to wszystko co nauka ma do powiedzenia w tym miejscu? Na pewno nie. Wspomnijmy chociaż o spirali Ekmana, trąbach powietrznych i o tornadach. Przykładów wirów w naturze jest wystarczająco dużo, a przyczyn ich powstania jeszcze więcej. To jednak już inna historia...
Posłowie:
Źródło 1 to pierwszy eksperyment, w którym udowodniono kierunek formowania się wiru. Źródło 2 opisuje mechanizm powstawania wiru. Obydwa artykuły sa poza moim zasięgiem i jeżeli ktoś ma do nich dostęp proszę o kontakt.
Źródła i ciekawe artykułu:
1. SHAPIRO, A. Bath-Tub Vortex. Nature 196, 1080–1081 (1962). (czy ktoś ma dostęp do tego artykułu?)
2. Yokoyama, N., Maruyama, Y., & Mizushima, J. (2012). Origin of the bathtub vortex and its formation mechanism. Journal of the Physical Society of Japan, 81(7), 074401. (czy ktoś ma dostęp do tego artykułu?)
6. Efekt Coriolisa - Wikipedia
7. Wir wodny Corryvreckan - MojaSzkocja
8. Gulf of Corryvreckan - wiki
Komentarze
Prześlij komentarz