2018年1月26日 星期五

漩渦的方向

    北半球的左漩渦
  如果大家把澡盆放滿水後拔去塞子,仔細觀察一下,也許會因為見到的結果各不相同而議論紛紛。但是在北半球,一般較多的是向左旋的情況。實際上,在水流出來的時候確實有一股想使它向左旋轉的傾向或影響力,總之,在北半球,所有的澡盆裡都存在著具有這樣作用的自然力。
  1962年美國麻省理工學院機械工程系系主任謝皮羅教授對澡盆的水進行了當代有代表性的研究。他並不是利用普通浴室裡的普通澡盆。他同樣也不滿足於利用普通的洗澡水。
  因為如果這樣,種種不利的因素就會使實驗結果失真,從而掩蓋了自然界影響的存在。例如,如果塞子拔去之前澡盆裡的水已略微有點旋轉,恐怕就會壞事。另外,哪怕水是完全靜止的,因為澡盆一端熱一端冷,也會使水的受熱不均勻。還有,從門縫下吹進來的風也可能在水面上造成極小的漩渦。
  為了避免所有這一切不利因素,謝皮羅教授使用一個巨大的碟形容器。它直徑長6英尺,但深僅6英吋,正中開有一個直徑3/8英吋的小孔。他花了很大的努力,將容器灌滿水。不消說,亦不讓門縫下吹進來的風吹到水面。為了使水面不會部分地受熱,還要防止光直接照射其上。
  這中間特別重要的是,在實驗開始前24小時就要把水放好。採取了這些預防措施之後,實驗一開始,水就立刻一邊逆時針方向旋轉一邊流出去了。謝皮羅教授的實驗室地處美國馬薩諸塞州的水城,也就是說在北半球。
   在南半球和赤道上的實驗
  兩年後,英國皇家學會的特別會員A·M·比尼博士決定在劍橋大學的工科實驗室裡用一個直徑5英尺,深3英吋的水槽試一下,看能否得到和謝皮羅教授相同的結果。
  但是,剛一著手就失敗了。水平靜下來還不夠3個小時,情況就大告不妙。在排水管上安上特別的調節裝置卻帶來了不良的後果。從城裡水管送來的水有泡沫,放置24小時後仍然如此。而且從水槽上面的天花板縫隙裡又有風吹進來,天寒地凍時,水會自然而然地旋轉起來。比尼博士看到這些後就對這個最初的實驗不再抱有希望了。
  在進行第二次準備時,他照舊竭盡全力做到放水時不受任何外界影響。為了防止灰塵和門縫風的干擾,在水槽上面一直蓋著兩塊聚乙烯的蓋板。要瞭解水槽內的狀況時,則通過這兩塊蓋板間的縫隙進行觀察。由於擔心在實驗室中有加熱效應,所以一律不用電燈,而依靠從北窗射入的自然光。
  為了讓水保持穩定。比尼博士最低限度將其放置21小時,有時甚至長達三天。採取了這一系列措施之後,這個實驗就大功告成了。我們又看見了和上面一模一樣的情況,它完全證實了謝皮羅教授的實驗。比尼博士進行了15次實驗,每次水都是逆時針方向捲成漩渦的。
  由於能夠預測到研究的下一個階段,科學家們無不欣喜若狂。此後不到一年,澳大利亞悉尼大學的實驗報告便公諸於世。澳大利亞的科學家們參考了謝皮羅教授和比尼博士的經驗,採用的圓型水槽直徑6英尺,深9英吋,中心處開有排水用的小孔。他們用的不是金屬容器,而是三合板製成的。這樣可以防止在水槽的不同部位出現溫差,盡量減少因此而形成漩渦的可能性。
  準備就緒之後,灌水一結束,五位科學家就用三合板把天花板上的換氣孔堵住,再用薄塑料板蓋住三合板。水槽用兩塊三合板蓋好,只留觀察用的窄縫。隨後他們離開房間,擱置18小時讓水穩定下來。
  再進來時,大家盡可能動作迅速,關上房門。那麼他們看到些什麼呢?水始終一邊順時針方向旋轉,一邊從排水孔流出去。也就是說,從上面看下來是向右旋轉的。
  在這些具有獻身精神的科學家們做過實驗之後,我們就可以很有把握地說,澡盆裡的水在北半球是向左、在南半球是向右捲成漩渦流出去的。
  在肯尼亞的一個小城鎮納紐基有一家樸素無華的旅館,然而它的一個顯著的特點則是澡盆的排水孔恰好在赤道上。做實驗時,先將澡盆的水灌滿,水面撒上一些五顏六色的碎紙片。拔去塞子後,這些紙片並沒有朝著某個方向旋轉,而是一直被吸進排水孔去了。
   傅科擺和陀螺儀
  暫且不提在肯尼亞的耳聞目睹,但是人們或許會問,在美國、澳洲以及英國等地的這些費時耗日的努力,到底有些什麼作用呢?這樣的科學研究是不是勞民傷財?
  對於一個真正的科學家來說,回答當然是否定的。這些考慮周到的實驗,例如只是讓水槽的水流動一下,乍看起來彷彿一錢不值,其實它卻關係到一條普通的原理,涉及到地球的自轉。
  假定讓某個人站在赤道上,他腳下的大地以每小時1000英里的速度向東方移動。同時另一個人站在遙遠的北方,由於他離地軸的距離較近,所以他腳下的大地向東方移動的速度要慢得多。
  例如,英格蘭不過以約700百英里的時速向東方移動。那麼請想像一下,一個大得驚人的水槽,一頭擱在赤道,另一頭卻擱在格林威治,會造成什麼樣的結果?南端的水當會比北端的水移動得快。因此,只要有機會拔去水槽塞子,水必然會逆時針旋轉。
  要感受到腳下的大地正在旋轉或許要有點特殊的才能。不過,如果腦瓜靈巧一點,做個實驗證明一下,倒也並不困難。
  事實上,早在1850年,讓·傅科就曾在巴黎做過這樣的實驗了。他用一條長長的細繩子繫住重錘,掛在高高的天花板的鉤子上,地板上畫上一個像日規那樣標上刻度的圓圈,重錘剛好對準圓心。不久它就會在1~180度之間擺動,繼而轉至2和182度之間,3和183度之間……
  事實上,就在重錘自由地前後擺動期間,重錘下方的地球正在自轉。由於重錘順從其本身的趨勢,自由地擺動,沒有理由會因地球的旋轉而扭歪。因此,可以說,重錘一直朝著一定的方向擺動,在旋轉的是把它下面的圓勾劃出來的地面。
  為了表示對發明者的敬意,這個擺動重錘的方法今天就稱做傅科擺。
  1852年,傅科又進行關於陀螺儀的實驗。又是一鳴驚人。一個旋轉的陀螺,遵循同樣也支配著宇宙間星球的法則,像自轉的地球那樣獨立運動。對此,人們無不驚歎不已。
  在傅科的實驗之後問世的陀螺羅盤,由於不受船舶和飛機上金屬的影響,與使用磁鐵的羅盤相比,自然勝上一籌。把陀螺羅盤接上與舵聯動的馬達,從而組成自動操縱裝置,也不需要非凡的才智。利用這種裝置操縱船舶飛機,卻要比駕駛員高明得多。
  同樣道理,今天之所以能夠發射火箭,使其繞月球飛行之後返回地面,也是因為陀螺儀的旋轉環按照宇宙的力學法則運動的緣故。
   掌握知識的樂趣
  科學不過是有系統地組織起來的好奇心。在獵奇探秘這一點上,一個世紀前的科學家和今天的科學家並無多大差異。1850年,讓·傅科老是望著從40英尺高的天花板上掛下來的重錘擺來擺去,他並沒有得到別的什麼東西。但是,在天花板啊、傢俱啊、人啊等等和地球一塊旋轉的過程中,他卻發現了擺錘沒有受到這些影響,依然有規則地前後擺動。傅科從中亦得到了莫大快樂。
  過了100多年,波士頓的謝皮羅教授,劍橋的比尼博士,悉尼的澳大利亞學者等,開始仔細觀察從水槽流出的水,他們也都為稱做科學的好奇心的魔力所驅使。當時,他們從中得到的,也不過是知道了發生些什麼後所帶來的純粹的歡快而已。
  然而,傅科的實驗結果卻導致了航海、航空用陀螺羅盤以及火箭導向裝置的問世。有關從澡盆裡流出的水會旋轉的知識則為我們打開了理解低氣壓的途徑,雖然還未必能預言可以駕馭它,儘管有一部分人對此深信不疑。低氣壓也同樣是一種漩渦。差別僅僅在於,澡盆的水是往下流出的,而流入低氣壓的空氣是向高空升去的。
Author :馬格納斯·派克
 


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