马桶中旋转的水流(图片来源:Mental Floss)
在最理想的状况下,北半球的马桶、浴缸以及洗手池中的水流可以产生逆时针的漩涡,但由于科氏力极其微弱,外加喷水方向、水池的形状以及外界其他因素的干扰,旋转方向往往存在极大的不确定性。
因此,要想真真切切用肉眼观察到“科氏力在马桶中产生的漩涡”极为困难。几乎所有的书本、网站甚至老师都会说,日常所看到的水池里产生的漩涡并不是科氏力导致的。
但世界上的各个角落里,都不免有那么几个喜欢抬杠又爱钻牛角尖的科学家,而麻省理工大学的流体力学教授阿舍尔·夏皮罗(Ascher Shapiro)就是其中之一。
他认为,如果不受任何因素的干扰,即使水池再小,科氏力一定会留下属于它的漩涡,能够被我们捕捉到!
尽管许多科学家都明白这个道理,但却几乎没有人有勇气去做实验验证。因为这个似乎在家中厨房里都可以完成的简单实验,实际上存在着一些不可预知的困难。
水池中的漩涡(图片来源:technologyreview)
1962年,夏皮罗决定尝试挑战这个难题。麻省理工大学所在的纬度是42°,在流速近乎5 mm/s时,科氏力只有当地重力的3000万分之一,为了排除所有因素的干扰,他对测试的各个细节都进行了精心设计。
首先,他选择了一个直径约为1.8米,深度约为0.15米的圆柱形水池,底部中间有一个直径约为1厘米的排水孔,并用塞子进行密封。
此外,他还尽量去除水中的杂质,并调节室内的温度来控制温度的变化。而为了防止气流的干扰,他还在水池的顶部覆盖了一层塑料薄膜。
最容易忽略的一点是,水池充满水后,水体还会残留微小的运动,这甚至会存在数个小时。为了完全规避掉这部分运动的影响,夏皮罗将水池中的水顺时针搅拌旋转,以抵消科氏力在北半球产生的逆时针的漩涡。
经过24小时的沉淀后,夏皮罗小心翼翼地拔下塞子。
在前12-15分钟,他几乎观察不到任何旋转的痕迹。然而,随着时间一分一秒地流逝,在不知不觉中,漩涡逐渐显示出了逆时针的旋转状态。
在各因素被严格控制的条件下,夏皮罗最终印证了北半球的科氏力,确实可以使水池中的漩涡发生逆时针旋转。
就这?这个实验看起来难度也不大,我们好像在自家的厨房里也可以完成,但其他人为什么没有成功呢?
一方面,其他人可能忽视了水的残留运动。他们认为在水池中的水在3-4个小时之后就已经完全静止了。
另外,由于在实验开始前的十多分钟内,几乎捕捉不到旋转的痕迹,且一部分实验者设计的水池可能过小,因此还未等到漩涡出现时,水池中的水早已流失殆尽了。又或是一部分实验者在观察了一段时间后失去了耐心,而在成功的黎明前草草放弃。
为了更加严谨,三年之后,悉尼大学的学者在南半球又做了一次相似的实验,结果也出现了顺时针旋转的漩涡。至此,“水池里看不到科氏力产生的漩涡”这个广为流传的误解被彻底粉碎。
缓慢旋转的漩涡(图源:ffden)
两组实验的结果都发表在了《Nature》上,这随即引发了世界各个国家读者的质疑。在那个没有互联网的年代里,作者和读者只能通过信件来沟通。从发表开始,到十多年之后,夏皮罗还是会收到来自各地的信件,内容几乎全是关于“水池漩涡”。
今天,在麻省理工大学的档案馆中,我们仍可以看到一个褪色的文件夹,里面装满了读者发来的邮件以及夏皮罗谨慎而细致的回信。
科氏力:比你想象得更“无处不在”
科氏力并不会对我们的日常生活产生很大影响,它只有在高速运动的物体上才会充分显现出来。但对狙击手而言,高速飞行的子弹若是受到科氏力的影响,则是致命的。
实际上,狙击并非是游戏中简单酣畅的瞄准射击,超远距离的狙击也并非完全符合“目标-瞄准镜-眼睛”三点一线的原理。
国外“地平主义者”眼中的射击,他们同样否认科氏力的存在(图片来源:thetruthaboutguns)
在扣下扳机的瞬间外,狙击手更多的工作在于感受当地的温湿度、风速和风向,并考虑空气阻力、重力以及当地纬度下科氏力的影响。
当面对极其复杂的击*任务时,狙击手甚至还会和副手(观察手)使用纸笔进行数学计算,及时调整瞄准镜,否则毫厘之差也可能导致任务的失败。