اثر کوریولیس چیست؟

شاید شنیده باشید که آب در سینک یا وان در نیم‌کره شمالی زمین در یک جهت و در نیم‌کره جنوبی در جهت مخالف می‌چرخد؛ ادعایی که حتی در برخی فیلم‌ها و برنامه‌های تلویزیونی نیز به‌عنوان یکی از تفاوت‌های دو نیم‌کره مطرح شده است.

به گزارش فرارو، پشت این تصور، یک پدیده علمی واقعی به نام «اثر کوریولیس» قرار دارد؛ پدیده‌ای که از چرخش زمین ناشی می‌شود و واقعاً می‌تواند مسیر حرکت هوا و آب را منحرف کند. با این حال، اثر کوریولیس در مقیاس یک سینک، وان یا توالت خانگی آن‌قدر ضعیف است که معمولاً نمی‌تواند جهت چرخش آب را تعیین کند.

در شرایط معمول، عواملی مانند شکل ظرف، محل خروجی آب و حرکتی که آب از ابتدا داشته است، تأثیر بسیار بیشتری دارند. به همین دلیل ممکن است یک سینک در یک نوبت آب را ساعت‌گرد و در نوبتی دیگر پادساعت‌گرد تخلیه کند.

چرخش زمین چگونه مسیر آب و هوا را تغییر می‌دهد؟

برای درک اثر کوریولیس، می‌توان زمین را مانند صفحه‌ای گردان تصور کرد. تمام نقاط زمین تقریباً در ۲۴ ساعت یک دور کامل می‌چرخند، اما مسافتی که هر نقطه در این مدت طی می‌کند یکسان نیست.

نقاط نزدیک استوا مسیر بسیار بزرگ‌تری را طی می‌کنند، در حالی که مسیر نقاط نزدیک قطب‌ها کوتاه‌تر است. حال اگر توده‌ای از هوا یا آب در فاصله‌ای طولانی از شمال به جنوب یا برعکس حرکت کند، بخشی از سرعت اولیه خود را حفظ می‌کند. در نتیجه، حرکت آن نسبت به سطح زمین اندکی منحرف به نظر می‌رسد.

این انحراف همان چیزی است که «اثر کوریولیس» نام دارد. در نیم‌کره شمالی، این اثر اجسام متحرک را نسبت به مسیرشان به سمت راست و در نیم‌کره جنوبی به سمت چپ منحرف می‌کند.

چرا اثر کوریولیس در توفان‌ها مهم است اما در سینک نه؟

اثر کوریولیس زمانی اهمیت پیدا می‌کند که یک جریان در فاصله‌ای طولانی و برای مدت‌زمانی نسبتاً زیاد حرکت کند.

توده‌های عظیم هوا، توفان‌ها و جریان‌های اقیانوسی ممکن است صدها یا هزاران کیلومتر جابه‌جا شوند و ساعت‌ها، روزها یا حتی بیشتر در حرکت باشند. در چنین مقیاسی، انحراف کوچک ناشی از چرخش زمین به‌تدریج جمع می‌شود و می‌تواند مسیر جریان را به شکل قابل‌توجهی تغییر دهد.

اما آب داخل سینک شرایط کاملاً متفاوتی دارد. آب معمولاً تنها چند ثانیه فرصت دارد تا تخلیه شود و مسیر حرکت آن نیز فقط چند ده سانتی‌متر است. بنابراین اثر کوریولیس در اینجا در برابر عوامل محلی و بسیار قوی‌تر، تقریباً ناچیز است.

سوزان هورن، استاد دینامیک سیالات عددی و ریاضی در دانشگاه کاونتری بریتانیا، در گفت‌وگو با لایوساینس نیز بر اهمیت مقیاس زمانی و مکانی در بررسی اثر کوریولیس تأکید کرده است.

جهت چرخش آب را سینک تعیین می‌کند، نه زمین

در یک سینک یا وان، حتی یک حرکت بسیار جزئی می‌تواند جهت گردابی را که هنگام تخلیه شکل می‌گیرد، تعیین کند.

ممکن است آب از همان ابتدا کمی در حال چرخش باشد. حرکت دست هنگام شست‌وشو، جابه‌جایی بدن در وان، نحوه برداشتن درپوش تخلیه یا حتی یک عدم تقارن جزئی در شکل سینک نیز می‌تواند جهت چرخش آب را تغییر دهد.

محل خروجی آب و طراحی لوله تخلیه نیز اهمیت زیادی دارند. سینک‌ها معمولاً کاملاً متقارن نیستند و همین تفاوت‌های کوچک می‌توانند در تعیین جهت گرداب نقش داشته باشند.

به همین دلیل، اگر آب یک سینک در یک آزمایش ساعت‌گرد بچرخد، نمی‌توان نتیجه گرفت که این جهت به نیم‌کره زمین مربوط است. ممکن است همان سینک در آزمایشی دیگر، آب را در جهت مخالف تخلیه کند.

در توالت‌ها ماجرا حتی ساده‌تر است

در توالت‌ها، تأثیر طراحی ظرف از این هم آشکارتر است. مسیر ورود آب به کاسه معمولاً به شکلی طراحی شده که جریان آب را در یک جهت مشخص به گردش درآورد.

بنابراین جهت چرخش آب در توالت نمی‌تواند نشانه‌ای از اثر کوریولیس باشد؛ چراکه این چرخش عمدتاً نتیجه طراحی خود سیستم تخلیه است.

حتی صحنه معروفی از سریال «سیمپسون‌ها» که در آن بارت سیمپسون تلاش می‌کند تفاوت جهت تخلیه آب در آمریکا و استرالیا را نشان دهد، تصویر دقیقی از رفتار آب در سینک‌های معمولی ارائه نمی‌کند.

آیا می‌توان اثر کوریولیس را در یک ظرف آب مشاهده کرد؟

پاسخ مثبت است، اما برای مشاهده آن باید شرایط آزمایش به‌شدت کنترل شود.

به گفته هورن، برای اینکه چرخش زمین بتواند بر گرداب آب تأثیر قابل‌اندازه‌گیری بگذارد، باید حرکت آب بسیار آهسته شود یا ابعاد آزمایش افزایش قابل‌توجهی پیدا کند.

دانشمندان برای بررسی اهمیت اثر کوریولیس از مفهومی به نام «عدد راسبی» استفاده می‌کنند. این عدد در واقع مقایسه‌ای میان اثر اینرسی جریان و اثر ناشی از چرخش زمین است.

هرچه عدد راسبی کوچک‌تر باشد، اثر چرخش زمین اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. در مقابل، وقتی این عدد بزرگ باشد، سرعت جریان یا کوتاه بودن مسیر حرکت باعث می‌شود اثر کوریولیس در برابر حرکت اصلی جریان بسیار ضعیف باشد.

آب در سینک، وان و توالت‌های معمولی در همین دسته قرار می‌گیرد.

آزمایش‌هایی که اثر کوریولیس را ثابت کردند

با این حال، آزمایش‌های دقیق علمی نشان داده‌اند که اگر عوامل مزاحم تقریباً به‌طور کامل حذف شوند، اثر کوریولیس واقعاً می‌تواند جهت چرخش آب را تعیین کند.

در سال ۱۹۶۲، پژوهشگری در مؤسسه فناوری ماساچوست، MIT، آزمایشی را انجام داد که نتایج آن در مجله «نیچر» منتشر شد. او از یک مخزن بزرگ استفاده کرد و تلاش کرد حرکت‌های اولیه و ناخواسته آب را تا حد امکان از بین ببرد.

پس از آن، آب به‌آرامی تخلیه شد و در نهایت گردابی در خلاف جهت عقربه‌های ساعت شکل گرفت؛ جهتی که برای نیم‌کره شمالی با اثر کوریولیس سازگار است.

سه سال بعد، پژوهشگران دانشگاه سیدنی آزمایش مشابهی را در نیم‌کره جنوبی انجام دادند. آن‌ها نیز شرایط آزمایش را به دقت کنترل کردند و این بار گرداب در جهت عقربه‌های ساعت شکل گرفت؛ همان جهتی که اثر کوریولیس برای نیم‌کره جنوبی پیش‌بینی می‌کند.

این آزمایش‌ها نشان دادند که اثر کوریولیس واقعاً می‌تواند جهت یک گرداب آب را تعیین کند؛ اما تنها زمانی که عوامل دیگر تا حد زیادی حذف شده باشند.

پس تکلیف افسانه «نیم‌کره شمالی و جنوبی» چیست؟

در شرایط معمول خانه، چرخش زمین عامل اصلی تعیین‌کننده جهت تخلیه آب نیست. شکل سینک، محل خروجی، نحوه ورود آب، حرکت اولیه آن و حتی شیوه برداشتن درپوش تخلیه می‌توانند تأثیر بسیار بیشتری داشته باشند.

بنابراین این تصور که «آب در تمام سینک‌های نیم‌کره شمالی در یک جهت و در تمام سینک‌های نیم‌کره جنوبی در جهت مخالف می‌چرخد» درست نیست.

اثر کوریولیس کاملاً واقعی است، اما برای اینکه بتواند بر حرکت آب غلبه کند، به شرایط و مقیاس مناسب نیاز دارد. توفان‌ها و جریان‌های اقیانوسی چنین شرایطی را دارند؛ یک سینک خانگی معمولاً نه.

در نتیجه، اگر آب سینک شما برخلاف چیزی که انتظار دارید در جهت دیگری بچرخد، لازم نیست آن را به نیم‌کره زمین یا چرخش زمین نسبت دهید؛ در اغلب موارد، پاسخ را باید در خود سینک و نحوه حرکت آب جست‌وجو کرد.