为什么水槽里的水排放时会旋转？ 2011-05-31

如果大家把澡盆放满水后拔去塞子，仔细观察一下，也许会因为见到的结果各不相同而议论纷纷。但是在北半球，一般较多的是向左旋的情况。实际上，在水流出来的时候确实有一股想使它向左旋转的倾向或影响力，总之，在北半球，所有的澡盆里都存在着具有这样作用的自然力。1962年美国麻省理工学院机械工程系系主任谢皮罗教授对澡盆的水进行了当代有代表性的研究。他并不是利用普通浴室里的普通澡盆。他同样也不满足于利用普通的洗澡水。因为如果这样，种种不利的因素就会使实验结果失真，从而掩盖了自然界影响的存在。例如，如果塞子拔去之前澡盆里的水已略微有点旋转，恐怕就会坏事。另外，哪怕水是完全静止的，因为澡盆一端热一端冷，也会使水的受热不均匀。还有，从门缝下吹进来的风也可能在水面上造成极小的漩涡。为了避免所有这一切不利因素，谢皮罗教授使用一个巨大的碟形容器。它直径长6英尺，但深仅6英寸，正中开有一个直径3/8英寸的小孔。他花了很大的努力，将容器灌满水。不消说，亦不让门缝下吹进来的风吹到水面。为了使水面不会部分地受热，还要防止光直接照射其上。这中间特别重要的是，在实验开始前24小时就要把水放好。采取了这些预防措施之后，实验一开始，水就立刻一边逆时针方向旋转一边流出去了。谢皮罗教授的实验室地处美国马萨诸塞州的水城，也就是说在北半球。在南半球和赤道上的实验两年后，英国皇家学会的特别会员Ａ·Ｍ·比尼博士决定在剑桥大学的工科实验室里用一个直径5英尺，深3英寸的水槽试一下，看能否得到和谢皮罗教授相同的结果。但是，刚一着手就失败了。水平静下来还不够3个小时，情况就大告不妙。在排水管上安上特别的调节装置却带来了不良的后果。从城里水管送来的水有泡沫，放置24小时后仍然如此。而且从水槽上面的天花板缝隙里又有风吹进来，天寒地冻时，水会自然而然地旋转起来。比尼博士看到这些后就对这个最初的实验不再抱有希望了。在进行第二次准备时，他照旧竭尽全力做到放水时不受任何外界影响。为了防止灰尘和门缝风的干扰，在水槽上面一直盖着两块聚乙烯的盖板。要了解水槽内的状况时，则通过这两块盖板间的缝隙进行观察。由于担心在实验室中有加热效应，所以一律不用电灯，而依靠从北窗射入的自然光。为了让水保持稳定。比尼博士最低限度将其放置21小时，有时甚至长达三天。采取了这一系列措施之后，这个实验就大功告成了。我们又看见了和上面一模一样的情况，它完全证实了谢皮罗教授的实验。比尼博士进行了15次实验，每次水都是逆时针方向卷成漩涡的。由于能够预测到研究的下一个阶段，科学家们无不欣喜若狂。此后不到一年，澳大利亚悉尼大学的实验报告便公诸于世。澳大利亚的科学家们参考了谢皮罗教授和比尼博士的经验，采用的圆型水槽直径6英尺，深9英寸，中心处开有排水用的小孔。他们用的不是金属容器，而是三合板制成的。这样可以防止在水槽的不同部位出现温差，尽量减少因此而形成漩涡的可能性。准备就绪之后，灌水一结束，五位科学家就用三合板把天花板上的换气孔堵住，再用薄塑料板盖住三合板。水槽用两块三合板盖好，只留观察用的窄缝。随后他们离开房间，搁置18小时让水稳定下来。再进来时，大家尽可能动作迅速，关上房门。那么他们看到些什么呢？水始终一边顺时针方向旋转，一边从排水孔流出去。也就是说，从上面看下来是向右旋转的。在这些具有献身精神的科学家们做过实验之后，我们就可以很有把握地说，澡盆里的水在北半球是向左、在南半球是向右卷成漩涡流出去的。在肯尼亚的一个小城镇纳纽基有一家朴素无华的旅馆，然而它的一个显著的特点则是澡盆的排水孔恰好在赤道上。做实验时，先将澡盆的水灌满，水面撒上一些五颜六色的碎纸片。拔去塞子后，这些纸片并没有朝着某个方向旋转，而是一直被吸进排水孔去了。傅科摆和陀螺仪暂且不提在肯尼亚的耳闻目睹，但是人们或许会问，在美国、澳洲以及英国等地的这些费时耗日的努力，到底有些什么作用呢？这样的科学研究是不是劳民伤财？对于一个真正的科学家来说，回答当然是否定的。这些考虑周到的实验，例如只是让水槽的水流动一下，乍看起来仿佛一钱不值，其实它却关系到一条普通的原理，涉及到地球的自转。假定让某个人站在赤道上，他脚下的大地以每小时1000英里的速度向东方移动。同时另一个人站在遥远的北方，由于他离地轴的距离较近，所以他脚下的大地向东方移动的速度要慢得多。例如，***不过以约700百英里的时速向东方移动。那么请想象一下，一个大得惊人的水槽，一头搁在赤道，另一头却搁在格林威治，会造成什么样的结果？南端的水当会比北端的水移动得快。因此，只要有机会拔去水槽塞子，水必然会逆时针旋转。要感受到脚下的大地正在旋转或许要有点特殊的才能。不过，如果脑瓜灵巧一点，做个实验证明一下，倒也并不困难。事实上，早在1850年，让·傅科就曾在巴黎做过这样的实验了。他用一条长长的细绳子系住重锤，挂在高高的天花板的钩子上，地板上画上一个像日规那样标上刻度的圆圈，重锤刚好对准圆心。不久它就会在1~180度之间摆动，继而转至2和182度之间，3和183度之间……事实上，就在重锤自由地前后摆动期间，重锤下方的地球正在自转。由于重锤顺从其本身的趋势，自由地摆动，没有理由会因地球的旋转而扭歪。因此，可以说，重锤一直朝着一定的方向摆动，在旋转的是把它下面的圆勾划出来的地面。为了表示对发明者的敬意，这个摆动重锤的方法今天就称做傅科摆。1852年，傅科又进行关于陀螺仪的实验。又是一鸣惊人。一个旋转的陀螺，遵循同样也支配着宇宙间星球的法则，像自转的地球那样独立运动。对此，人们无不惊叹不已。在傅科的实验之后问世的陀螺罗盘，由于不受船舶和飞机上金属的影响，与使用磁铁的罗盘相比，自然胜上一筹。把陀螺罗盘接上与舵联动的马达，从而组成自动操纵装置，也不需要非凡的才智。利用这种装置操纵船舶飞机，却要比驾驶员高明得多。同样道理，今天之所以能够发射火箭，使其绕月球飞行之后返回地面，也是因为陀螺仪的旋转环按照宇宙的力学法则运动的缘故。掌握知识的乐趣科学不过是有系统地组织起来的好奇心。在猎奇探秘这一点上，一个世纪前的科学家和今天的科学家并无多大差异。1850年，让·傅科老是望着从40英尺高的天花板上挂下来的重锤摆来摆去，他并没有得到别的什么东西。但是，在天花板啊、家具啊、人啊等等和地球一块旋转的过程中，他却发现了摆锤没有受到这些影响，依然有规则地前后摆动。傅科从中亦得到了莫大快乐。过了100多年，波士顿的谢皮罗教授，剑桥的比尼博士，悉尼的澳大利亚学者等，开始仔细观察从水槽流出的水，他们也都为称做科学的好奇心的魔力所驱使。当时，他们从中得到的，也不过是知道了发生些什么后所带来的纯粹的欢快而已。然而，傅科的实验结果却导致了航海、航空用陀螺罗盘以及火箭导向装置的问世。有关从澡盆里流出的水会旋转的知识则为我们打开了理解低气压的途径，虽然还未必能预言可以驾驭它，尽管有一部分人对此深信不疑。低气压也同样是一种漩涡。差别仅仅在于，澡盆的水是往下流出的，而流入低气压的空气是向高空升去的。