Эффект Корроли
Эффект Корроли — это явление, которое часто обсуждается в области динамики и математической физики, но, к сожалению, многие люди не понимают его суть. Он играет ключевую роль в формировании крупных погодных паттернов и является легендарной причиной направления, в котором вода уходит в раковине. Хотя на самом деле это не совсем так. В этой статье я постараюсь объяснить основные принципы эффекта Корроли понятным языком, который не требует глубоких знаний физики.
Основные Принципы
Для того чтобы объяснить эффект Корроли, важно учитывать несколько основных принципов:
- Первый закон Ньютона: объекты, находящиеся в движении, продолжают двигаться с постоянной скоростью.
- Сферическая геометрия Земли: расстояние между градусами долготы варьируется в зависимости от широты, и объекты удерживаются на поверхности Земли силой тяжести.
- Центростремительное ускорение: если скорость объекта слишком велика, он пытается увеличить радиус своего движения, а если она слишком мала — уменьшить его (падение).
Наиболее доступным для понимания является второй принцип, так как его можно продемонстрировать на глобусе. Сравнение толщины тропосферы и радиуса Земли также помогает усвоить эту концепцию. Первые и третий принципы требуют немного больше научной подготовки или проведения демонстраций для их понимания.
Движение на Север/Юг
Даже без третьего принципа можно убедительно объяснить эффект Корроли для объектов, движущихся на север или юг. Земля вращается на восток с постоянной угловой скоростью, но линейная скорость различается в зависимости от широты. Например, точка на экваторе должна проходить большее расстояние за день, чем точка в Огайо, и поэтому движется быстрее.
Когда объект начинает двигаться на север или юг и не прикреплен к земле (например, воздух или снаряды), он сохраняет свою начальную восточную скорость. Объект, покидающий экватор, будет иметь восточную скорость, равную скорости других объектов на экваторе. Однако, когда он движется дальше на север, его восточная скорость становится больше, чем скорость земли под ним.
Таким образом, объект, движущийся к северу, будет двигаться восточнее, чем земля, и будет казаться, что его отклоняет некая сила. Напротив, объекты, движущиеся к экватору, будут двигаться медленнее, чем земля, и будут казаться отклоняющимися на запад. На самом деле здесь нет никакой силы, просто земля движется с другой скоростью.
Движение на Восток/Запад
Ситуация с отклонением Корроли для объектов, движущихся на восток и запад, немного сложнее, так как она зависит от концепции центростремительного ускорения и того, что объекты находятся на поверхности сферы. Без каких-либо ограничений (таких как сила тяжести или поверхность земли) эффект будет менее заметен.
Начнем с объекта на определенной широте, где земля движется на восток с определенной скоростью. Если двигать его на восток или запад, его скорость будет отличаться от скорости земли внизу.
Объекты, движущиеся на восток, стремятся «вырваться» в космос, а движущиеся на запад — «падать» к оси Земли. Однако сила тяжести удерживает большинство объектов от «вылета», а поверхность земли не позволяет им падать прямо к оси. Большинство объектов остаются в пределах нескольких миль от поверхности, и лучший способ изменить их радиус — отклониться на север или юг.
Сложности Эффекта Корроли в Метеорологии
В результате всех этих отклонений можно заметить, что что-то в Северном полушарии, движущееся в одном направлении, будет отклоняться вправо относительно наблюдателя на земле. В случае низкого давления, где все движется к центру, это создает вихрь.
Эффект Корроли становится заметным при высоких скоростях или на больших расстояниях, особенно в северном и южном направлениях. Угловая скорость Земли составляет 360 градусов в день, что довольно мало. Даже при сильных ветрах, характерных для тайфунов, эффект Корроли приводит к отклонению всего лишь на 10 микронов в секунду в квадрате. За час это может привести к отклонению на 100 метров, а за день — почти на 40 километров. Со временем эффект накапливается.
Вода в Раковине
В раковине скорость и временные масштабы значительно меньше. Вода, уходящая в слив, движется менее метра в секунду, что приводит к отклонениям менее одного микрона в секунду в квадрате. Если в раковине уже есть вращение, оно должно быть очень малым, чтобы эффект Корроли смог его изменить.
Насчет того, насколько медленным должно быть вращение, можно провести простой расчет. После первой секунды слива вода начинает двигаться в том направлении, в котором она уже вращается, и это вращение только усиливается. При этом, если рассмотреть среднюю частицу на расстоянии десяти сантиметров от слива, отклонение в один микрон соответствует угловой скорости около 2 микрорад в секунду, что может быть изменено.
Несмотря на это, в большинстве раковин не наблюдается видимого вращения, если они достаточно малы, чтобы не накапливать вращение до заметного уровня. Вопрос о том, есть ли заговор среди производителей раковин, чтобы продавать только водопроводные краны с вращением по часовой стрелке к югу от экватора и против часовой стрелки к северу, остается открытым. Исследования показывают, что после тщательного контроля всех переменных вода действительно спирально уходит в слив в разных направлениях в двух полушариях, но этот эффект настолько незначителен, что его невозможно увидеть в обычной ванной раковине.
