هل يعتمد اتجاه دوران الماء إلى أسفل الصرف على نصف الكرة الأرضية الذي تعيش فيه؟ دحض تأثير كوريوليس في حوضك

في البلدان القريبة من خط استواء الأرض ، غالبًا ما ينبهر السائحون بمظاهرة لظاهرة فيزيائية غامضة. سيضع مقدم العرض ثلاثة دلاء من الماء – واحد في نصف الكرة الشمالي ، وواحد في نصف الكرة الجنوبي ، والآخر على خط الاستواء – ويترك المياه تستنزف.

يُظهر السياح أنه مع تصريف المياه ، تدور المياه في الدلو الشمالي في اتجاه واحد ، وتدور المياه في الدلو الجنوبي في الاتجاه الآخر ، ولا يدور الماء عند خط الاستواء على الإطلاق.

قد يدعي المتظاهر أن هذه الظاهرة الغريبة تحكمها الفيزياء ، وأنها مثال على تأثير كوريوليس.

أدت الطبيعة المثيرة للاهتمام لتأثير كوريوليس إلى ظهوره المتكرر في الأساطير الحضرية والثقافة الشعبية ، من البرامج التلفزيونية إلى ألعاب الفيديو.

يعتمد تأثير كوريوليس على فكرة أن دوران الأرض يُدخل قوة فيزيائية ، تُعرف باسم قوة كوريوليس ، والتي تؤثر على الطريقة التي تبدو بها الأشياء تتحرك لنا كمراقبين على الأرض. تتسبب قوة كوريوليس في انحراف الأجسام الموجودة على سطح الأرض في اتجاهات مختلفة اعتمادًا على ما إذا كانت أعلى أو أسفل خط الاستواء. يكون التأثير أقوى بالقرب من القطبين وأضعف عند خط الاستواء.

تأثير كوريوليس مسؤول شرعيًا عن سلوك بعض الظواهر الطبيعية ، مثل الأعاصير ، التي يدرسها علماء القياس وعلماء المحيطات الفيزيائيون مثلنا نحن الاثنين. ولكن في البيئات المحلية ، فإن دوران الأرض له تأثير ضئيل جدًا على كيفية تصرف الماء. يمكن للرياضيات أن تشرح كيف يعمل هذا – أو لا يعمل – في حوض المطبخ.

الرياضيات وراء الظاهرة

يستخدم الجيوفيزيائيون معادلات رياضية معينة ، تُعرف باسم معادلات نافيير-ستوكس ، لوصف سلوك السوائل. تقريبًا ، تربط معادلات نافييه-ستوكس تغيير سرعة المائع – كيف يتحرك المائع – بالقوى المؤثرة على السائل ، مع مراعاة بعض القيود المادية. على سبيل المثال ، تفترض المعادلات أن الكمية الإجمالية للسوائل في النظام لا تتغير بمرور الوقت.

ولكن لمجرد أن الفيزيائيين والرياضيين يمكنهم كتابة هذه المعادلات ، فهذا لا يعني أنه يمكننا حلها. في الواقع ، يصعب حل هذه المعادلات لدرجة أنك ستفوز بجائزة الألفية ومليون دولار أمريكي إذا كنت تستطيع فعل ذلك.

على الرغم من عدم وجود حل كامل معروف لمعادلات نافيير-ستوكس ، لا يزال بإمكان علماء الأرصاد الجوية وعلماء المحيطات الفيزيائيين الحصول على حلول جزئية مفيدة. تتمثل إحدى طرق الحصول على هذه الحلول الجزئية في مقارنة المصطلحات المختلفة في معادلات Navier-Stokes لتحديد أيها أكثر أهمية.

غالبًا ما يتم تسجيل هذه المقارنات كنسب وليس لها وحدة مادية مرتبطة ، وبالتالي يتم منحها اسم “أرقام بلا أبعاد”.

ماذا يحدث في حوضك؟

في سياق تأثير كوريوليس ، ربما يكون أهم رقم بلا أبعاد هو رقم روسبي ، الذي سمي على اسم عالم الأرصاد الجوية في أوائل القرن العشرين ، كارل جوستاف روسبي. يقارن رقم روسبي ديناميكيات السائل مع معدل دوران الأرض ، مع الأخذ في الاعتبار حجم النظام ومدى سرعة تحركه.

يشير رقم روسبي الصغير إلى أن قوة كوريوليس لها تأثير قوي على النظام ، بينما يشير رقم روسبي الكبير إلى أن قوة كوريوليس لها تأثير ضئيل. على سبيل المثال ، يكون رقم روسبي لمتوسط ​​الإعصار من 1 ، مما يشير إلى أن ديناميكيات السائل ومعدل دوران الأرض لهما صلة مماثلة. صحيح أن الأعاصير تميل إلى الدوران في اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الجنوبي وعكس اتجاه عقارب الساعة في نصف الكرة الشمالي.

نفس الرياضيات التي تنطبق على الظواهر واسعة النطاق مثل الأعاصير تنطبق أيضًا على الماء في حوض الحمام الخاص بك. في هذا الإعداد ، يكون النظام صغيرًا نسبيًا ، وبالتالي سيكون رقم روسبي أكبر بكثير من 1 – أكبر من 10000 مرة. تشير هذه الملاحظة إلى أن قوة كوريوليس لا تكاد تذكر على تصريف المياه في حوض الحمام.

في الواقع ، يتنبأ رقم روسبي بأن الماء سيحتاج إلى التحرك بسرعة غير محسوسة تقريبًا حتى تصبح قوة كوريوليس مهمة. لذا ، على الرغم من أن الطريقة التي يتدفق بها الماء إلى أسفل الصرف قد تكون متسقة ، فإن هذا لا يرجع إلى تأثير كوريوليس.

إذن ماذا رأى السائحون؟

نفس المنطق ينطبق على مناطق الجذب الاستوائية. بالنظر إلى حجم النظام ، يمكن لعلماء المحيطات الفيزيائيين أن يستنتجوا بشكل مريح أن قوة كوريوليس ليست مسؤولة عما يراه السائحون في تلك الدلاء أو الأوعية.

يتم دعم هذا الاستنتاج أيضًا من خلال فحص نفس النوع من العروض التقديمية في بلدان مختلفة.

يدور الماء في نصف الكرة الشمالي عكس اتجاه عقارب الساعة في فيديو واحد ولكن في اتجاه عقارب الساعة في فيديو آخر. إذا كان الدوران بسبب تأثير كوريوليس ، فستكون النتيجة هي نفسها في كلا الفيديوين.

على الرغم من أن علماء المحيطات الفيزيائيون لا يستطيعون إنكار ما يراه السائحون ، إلا أننا نعلم أن الحيلة السحرية لا ترجع إلى تأثير كوريوليس على هذا النطاق الصغير.