Вода закручивается в сливе потому, что при движении к отверстию усиливается даже очень слабое начальное вращение. Поток стекается к узкой области, и небольшая боковая скорость, возникшая при наполнении раковины, движении пробки или из-за неровностей чаши, превращается в заметное круговое движение. Чем ближе вода подходит к центру, тем быстрее она вращается, а над сливом может появиться характерная воронка.
Как начинается круговое движение
Если открыть слив в наполненной раковине, вода под действием силы тяжести направится к отверстию. В идеальной совершенно симметричной системе, где жидкость изначально неподвижна, она могла бы сходиться к центру без выраженного вращения. Обычная раковина, ванна или ёмкость таким идеальным условиям не соответствует.
В воде почти всегда сохраняются слабые течения. Они возникают, когда струя из крана ударяет в чашу, человек опускает руку в воду, ёмкость слегка двигают или пробку вытаскивают в сторону. Влияют и постоянные особенности конструкции: слив может находиться не точно в центре, дно бывает немного наклонено, а отверстие и подводящая к нему поверхность редко обладают безупречной круговой симметрией.
Поэтому разные участки воды подходят к сливу не строго по радиусам. У потока появляется касательная составляющая скорости, то есть движение не только к отверстию, но и вокруг него. Этого небольшого отклонения достаточно, чтобы начал формироваться водоворот.
Почему вращение ускоряется у отверстия
Главную роль играет закон сохранения момента импульса. В упрощённом виде для небольшой порции воды он означает следующее: когда расстояние до оси вращения уменьшается, круговая скорость возрастает, если внешние воздействия не успевают полностью погасить вращение.
Похожий эффект наблюдается у фигуриста. С вытянутыми руками он вращается медленнее, а когда прижимает руки к телу, скорость вращения увеличивается. В сливном потоке роль приближающихся к оси частей тела выполняет вода, которая движется от широкой области раковины к маленькому отверстию.
Начальное вращение может быть настолько слабым, что вдали от слива его трудно заметить. Но по мере приближения к центру оно концентрируется. Траектории частиц воды становятся спиральными: одновременно с движением по кругу они смещаются внутрь, а затем уходят вниз.
Закон сохранения не делает скорость бесконечной. В реальной жидкости вращение ограничивают вязкость, трение о дно и стенки, турбулентность и обмен движением между соседними слоями. В самом центре существует вихревое ядро, где простая модель уже не описывает поток полностью. Тем не менее именно концентрация первоначального вращения хорошо объясняет, почему едва заметное движение превращается в быстрый водоворот.
Откуда берётся воронка на поверхности
Во вращающемся потоке вода движется по искривлённым траекториям. Для такого движения требуется ускорение к центру. Оно возникает благодаря разнице давлений: ближе к оси вихря давление оказывается ниже, чем на таком же уровне вдали от неё. На больших глубинах масштаб становится иным, но понять роль давления помогает материал о том, что такое давление воды в океане.
Свободная поверхность воды подстраивается под это распределение давления. Около стенок и вдали от слива уровень остаётся выше, а в центре опускается. Так появляется углубление, которое называют воронкой. Чем сильнее круговая скорость, тем заметнее перепад уровня.
При достаточно интенсивном вращении вершина воронки достигает сливного отверстия. Тогда внутрь трубы начинает проникать воздух, и образуется воздушный стержень, окружённый текущей водой. Он может сопровождаться бульканьем и неустойчивыми колебаниями поверхности. Это не отдельная причина закручивания, а следствие уже сформировавшегося вихря и падения давления в его центре.
Воронка не обязана быть видна с самого начала. Пока слой воды глубокий или вращение слабо, понижение поверхности может оставаться небольшим. Ближе к завершению слива углубление часто становится отчётливее, поэтому создаётся впечатление, будто вода начала крутиться только в последние секунды. На самом деле спиральное течение могло существовать раньше, но было менее заметным.
От чего зависит направление вращения
В обычной раковине направление задают начальные движения воды и особенности самой ёмкости. В одном случае струя из крана оставляет течение по часовой стрелке, в другом пробка при извлечении толкает воду против часовой стрелки. Даже небольшое возмущение может оказаться важнее всех остальных факторов.
Если форма чаши, положение слива и способ наполнения каждый раз одинаковы, водоворот способен устойчиво повторять одно направление. Это не означает, что природа предписала данной раковине вращаться только так. Постоянная асимметрия просто создаёт сходное начальное течение при каждом сливе.
Направление можно изменить, если перед открытием слива слегка закрутить воду в противоположную сторону. После достаточно сильного толчка именно это вращение обычно усилится возле отверстия. При слабых и конкурирующих течениях картина бывает сложнее: вихрь может формироваться не сразу, смещаться относительно отверстия или даже менять направление на разных этапах.
У унитаза движение воды в значительной мере определяется не самим сливным отверстием, а конструкцией каналов и направлением струй, которые поступают в чашу. Поэтому наблюдение за смывом тоже не подходит для проверки общего правила о направлении природных вихрей.
Правда ли, что всё определяет полушарие Земли
Вращение Земли действительно создаёт эффект Кориолиса. В Северном и Южном полушариях он отклоняет движущиеся массы в противоположные стороны. Этот эффект важен для крупномасштабных атмосферных и океанических процессов, но в бытовой раковине он чрезвычайно слаб по сравнению с остаточными течениями, формой чаши и движением пробки.
Поэтому утверждение, будто вода в любом сливе Северного полушария обязательно вращается в одну сторону, а Южного полушария в другую, неверно. В одной и той же раковине можно получить оба направления. Географическое положение не позволяет надёжно предсказать результат обычного бытового наблюдения.
Влияние вращения Земли всё же удавалось обнаружить в специально подготовленных опытах. Для этого использовали достаточно большую и симметричную ёмкость, очень аккуратно наполняли её, долго ждали затухания случайных течений и открывали слив так, чтобы почти не возмущать воду. Только при таком строгом контроле слабый эффект Кориолиса может получить преимущество и задать предпочтительное направление. Условия домашней ванны отличаются от такого эксперимента на много порядков по уровню случайных помех.
Почему вода иногда уходит почти без водоворота
Заметный вихрь возникает не при каждом сливе. Если остаточное вращение очень мало, вода может сходиться к отверстию почти радиально. Широкий слив, небольшая скорость истечения и сильное трение также мешают сформироваться глубокой устойчивой воронке.
Многое зависит от соотношения размеров ёмкости и отверстия, глубины воды, расхода и формы дна. Узкое отверстие концентрирует поток сильнее, а большая касательная скорость делает вращение очевиднее. Однако одного наличия отверстия недостаточно: оно усиливает уже имеющийся момент импульса, а не обязательно создаёт вращение из ничего.
Это легко заметить при повторных наблюдениях. Если наполнять одну и ту же ёмкость разными способами, давать воде успокоиться на разное время и осторожно либо резко открывать слив, направление и выраженность вихря могут меняться. Такой опыт показывает чувствительность потока к начальным условиям, но не является точным измерением эффекта Кориолиса.
Главное
Водоворот у слива рождается из сочетания движения воды к узкому отверстию и небольшого начального вращения. Когда жидкость приближается к оси, сохранение момента импульса увеличивает её круговую скорость. Разница давлений понижает поверхность в центре и создаёт видимую воронку.
Направление вихря в раковине определяют прежде всего случайные движения, способ наполнения, форма чаши и расположение слива. Вращение Земли существует и в принципе может влиять на тщательно поставленный опыт, но для обычного бытового слива оно слишком слабо, чтобы диктовать результат. Другие связанные физические явления удобно изучать последовательно через маршруты знаний.
