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第十九期问题:爱转圈的沐浴露(查看详情,请点击群博右边栏的Dr.YOU专辑)

沐浴露转着圈/落下来了/落在手上/那手里的/不是一片/不是一滩/是一坨

Lewind:隐形的舞伴

落下的沐浴露会堆积,这几乎不用解释。

沐浴露的粘稠特性决定了这一点,专业点说——雷诺数太低。水是高流动性的极端,无法堆积。至于低流动性的极端……(此处由于反低俗,被和谐掉312字。)
堆积的沐浴露为什么会旋转着堆积?如果我们的手被架子代替,而且这一切发生在一个只有重力的假想空间,那么沐浴露没有任何理由要跳起圆舞。沐浴露这位温柔而散发着郁鼻香气的妙龄女郎,如果没有舞伴的牵引,如何会独自起舞呢?那么,让我们帮沐浴露找出这位隐形的舞伴吧!
我们手的不可控振动是沐浴露的舞伴吗?在我们手的牵引下,沐浴露或许可以跳跳街舞和群魔乱舞,但要跳出朝向同一个方向的圆舞,只怕我们的手还没有这个水平!况且,通常情况下,即便我们无心带着沐浴露转圈,它还是会转圈圈,可见手并不是我们要找的舞伴。
Shea带来的Kaye现象是沐浴露的舞伴吗?从专业评委的眼光来看,那与其说是跳舞,到不如说是跳高。这跟沐浴露的圆舞也无瓜葛。
液体的湍流现象是沐浴露的舞伴吗?湍流的形成,一个主要的动力是液体原有运动的惯性,或者由于液体运动产生的真空。于是湍流的螺旋舞步总是与液体的流向在同一个平面上。然而,沐浴露圆舞的平面却与下落的方向完全垂直,可见湍流也不是那个我们要找的舞伴。
那么到底是什么舞神,竟能让沐浴露跳出旋转的舞步呢?他必然也是一位终生沉醉于旋转的舞者,那就是科里奥利力,也叫作地转偏向力。其实这个概念在中学课本上就学过,大家也都知道他的两部经典作品——漩涡与龙卷风。不过为了让这位隐形的舞者露出庐山真面目,我们还是简单说说他的身世。
大家可能都以为科里奥利是位研究地球物理学或者气象学的科学家,要不然怎么能发现地转偏向力呢?但其实,科里奥利是一位数学家,工程学家。他提出科里奥利力的初衷,是为了便于描述旋转运动的机械部件与直线运动的机械部件之间的位置关系。而后来的人们发现,科里奥利力在战争中有巨大的应用,因为地球就是转动着的,而炮弹则因为惯性的原因在其行进方向上做直线运动。
我们试想一下,在上海向北京发射一颗炮弹(不带任何XX色彩哦!),基本是向着北方。炮弹从上海飞到北京总需要一定的时间,而我们的地球自转速度是很快的,在炮弹飞行的时间里,地球已经从西向东转过了一定角度,比如说太原已经到了原来北京所在的位置上。于是,这颗从上海发射,瞄准北京的炮弹,却最终落在了太原,向西,或者说向左偏差了很远。这就是科里奥利力,他并不是一个真实存在的力,只是由于地球自转造成的运动偏差,站在地球这个坐标系上,把它假想成为一个力,以便解释和计算这种偏差。
实际上,进一步的分析会发现:无论向北还是向南,又或者向任何一个方向,只要是在北半球,科里奥利力的作用都是向左偏;而在南半球都是向右偏;在赤道上则没有科里奥利力;科里奥利力的程度随纬度的升高而加重。在火炮射程不远也不太精准时,谈科里奥利力是没意义的。而当现代火炮射程越来越远,对准确度要求越来越高之后,根据实战所在纬度进行校准,以纠正科里奥利力的作用是必需的。
有人要怀疑了,科里奥利力有那么强大吗,能带着沐浴露这样粘的女士转圈圈?其实,科里奥利力的确很强大,即便水池里浅浅的一层水,从下水口流走时也能形成明显可见的漩涡;但科里奥利力的确没有强大到能对抗沐浴露的粘滞阻力。我们能观察到明显的科里奥利力现象的前提是,被研究物体不受地球自转的”拖拽”作用,能基本保持自己本来运动的惯性,比如在空气中飞行的炮弹,或者不受周围物体粘滞的水。而当一滴沐浴露落到一坨沐浴露的顶端时,由于其粘性,它马上受到底下那坨沐浴露的”拖拽”,跟上了地球自转的步伐,很难再表现出科里奥利力了。
那科里奥利力是如何发挥作用的呢?只剩下一个可能的过程了,就是在沐浴露下落的过程中。只要我们不是在赤道上做这个实验,那么沐浴露下落的垂线一定不在当地地球自转的圆平面上,而是与后者有一个角度,这个角度就是当地的纬度。由于这个角度的存在,下落的物体也要受到科里奥利力的影响,偏离其正下方。所以,当沐浴露落到下面已有的沐浴露上时,它的速度方向不是垂直向下的,而是偏向一侧的。当然,考虑到实际中沐浴露下落的距离,这个偏差非常非常小,肉眼难以发现。然而,当这滴沐浴露沿着圆锥形的已有沐浴露表面继续下滑时,由于初速度斜向,其轨迹必将沿着圆锥面作螺旋下降。在Shea给出的视频中,我们能清楚看到这种堆积过程中的螺旋。在49秒的那个画面,堆起来的沐浴露看起来就像是一个倒扣在桌面上的田螺。
实际生活中,我们看到的沐浴露转圈圈可能还要复杂一些,因为掺杂了其它的干扰因素。前面说过,手的不可控抖动不是根本性原因,科里奥利力才是。但正在是科里奥利力的帮助下,手的任何抖动,乃至空气流动的干扰,都被放大了。我们都知道用于验证地球自转的傅科摆,北京天文台就有一个。当有横向的干扰时,下落的沐浴露就有了横向的运动,就像傅科摆一样,这个横向运动落到平面上最终变成了弧线的运动。这种呈弧线排列的沐浴露沿着圆锥面下滑时,进一步被放大成了显著的螺旋视觉效果。
至此,我们已经知道,科里奥利力所采用的舞蹈技巧,不是直接带着沐浴露旋转,而是像冰上舞蹈那样,将舞伴旋转着抛出。而且科里奥利力还是名现场型的舞者,任何现场的干扰在他看来,都是可以加强其舞蹈的动力。所以,沐浴露舞出的优雅圆舞,主要要归功于科里奥利力这位隐形的舞者。
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Wynn Chen:

看到这个问题之后想到的第一个关键字:对称破缺。
对称破缺这个话题相当大,08年的诺贝尔物理奖也和它有关呢。

应用到沐浴露问题上,我对这四个字的简单理解就是:对称的条件可能导致不对称的结果。
首先考虑这样一个情形:往啤酒瓶里丢一个小球。啤酒瓶底有一个内凹,叫做”踢”的结构。至少从原则上说,啤酒瓶是完全对称的,小球也是。那么如果将小球沿着啤酒瓶的对称轴丢下去会如何?小球一定不会停在踢的最高点,必然顺着某个方向滚落下去,停在底部一圈的某个位置。注意了,从初始条件来看,任何一个方向地位都是等同的,也就是说完全对称的。但是结果打破了这种对称的局面,小球选择了某个特定的方向,而这个方向本身并没有任何特别。这可以作为自发对称破缺的一个例子,现在将其称为情形A。(这个例子非我原创,来自于第一推动丛书中的某一本,具体是哪本忘记了……不过这个例子本身倒是印象深刻。)
下面考虑另外一种情形,称为情形B:将一个截面为半圆形的柱体(就是把圆柱对半劈开),平的那面朝下横放在地面上,然后将小球沿着其对称轴扔下,会如何?结果再次出现对称破缺,左右两个方向是完全对称的,而小球一定会打破这个对称,选择其中某个方向滚下。
然后再考虑情形C,这个情形和对称破缺无关:把小球丢在一个斜面上会如何?谁都知道,小球会顺着斜面滚落。
好了,以上便是我考虑沐浴露问题时想到的一系列图景,对应于整个过程。
沐浴露液柱落下,而液柱下方堆积了一小堆沐浴露,这个情形是出发点。在这个瞬间,液柱会如何?在液柱最下方那一部分沐浴露遇到下方的堆积物之后减速,再加上沐浴露是很粘稠的,这样这一部分就形成了近球形的结构。这就是情形A的情况,所以我的结论是,这一部分沐浴露会打破对称,向某个方向落下去。
这导致了两个结果:第一,液柱本身是一个整体,底端向某个方向落下会拖动液柱略微偏离中心,也向着这个方向出现偏移。第二,这个方向上堆积了新落下的沐浴露,从而使得这个方向上鼓起来一块。
那么在接下来的瞬间,液柱底端的那些沐浴露面临的是什么样的情形呢?考虑一下就发现,液柱不会无法在半径方向上出现什么移动,下面可能出现的是切向的运动——这正是情形B所考虑的。按照情形B考虑的结果,液柱会向着某个方向作切向运动。
接下来呢?这时候,液柱已经落在了鼓起的”包”的一侧,这是个斜面,正是情形C所考虑的。结论就更简单了,液柱在切向上会继续向方向偏移。
把这些综合起来,得出的结果就是:在径向上,液柱会相对稳定在离中心有一小段距离的位置上。在切向上,液柱会顺着一个方向不停运动下去。合在一起,就是说液柱会绕着中心点划小圈。而这样画出来的”圈”在下面的堆积锥中会逐渐下沉,同时扩散,于是,传说中的便便堆就出现了……
回头来看这个过程,可以发现下落液体的一些特性对于形成便便堆而言是非常重要的。首先这个过程的分析基于两个假设:一个是液柱本身要稳定,不能散开,另一个是下方堆积锥需要处于动态平衡的情况(上面不停堆,底下又不停流走)。这要求液体本身不能太稀(例如水),否则根本无法形成堆积锥,哪怕通过某种方式强行造成这样的情形(比如在下面放上一个固体圆锥?),液柱本身也会在接触的时候直接分散开,不会”步调一致”的出现整体偏移。而如果液体太粘稠(例如……牛粪?),会导致难以形成动态平衡的堆积堆(底下的都不流走),而且液柱也很容易被拉断变成断续的一滴滴(或许应该说一坨坨?),这样前面的分析就不起作用了。
光说不练假把式,因此本人在某次洗澡的时候用沐浴露做了点实验。按照前面的分析,一个推论是如果在液柱下方放上一个固体圆锥类的东西应该可以更好地观测到这种现象?实践的结果是确实有效,这个锥要比较平缓,这样效果比较好。
ps.可怜我本着不浪费的原则,将实验挤出的沐浴露全部用掉了(大概是平时一次洗澡用量的15倍),结果很痛苦的花了数倍时间才把泡沫全部冲进下水道,不由感叹追求真理之路果真坎坷……
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Dr.Who说:
Lewind:科里奥利力对香喷喷的沐浴露女郎说:让我来带你跳舞吧,我会把你舞成一坨
Wynn Chen:对称破缺对黏糊糊的沐浴露小姐说:闺女啊,你咋跑偏了呢?
PS:向Wynn Chen一次被15倍的沐浴露小姐按摩过的胴体致以万分的敬意~~

29 Responses to “[Dr.YOU第十九期] 读者来信:沐浴露在转圈”

  1. 胡天翼 说:

    沙个发!

  2. Netson 说:

    个人认为对称破缺更有可能性。。。。总觉得科里奥利力太小对这点东西可以忽略。。。

  3. fwjmath 说:

    我那次写的关于科里奥利力的东西算是白费了……
    能够影响沐浴露的偏转的只有科里奥利力的二阶效应(就是总运动的二阶展开)。如果沐浴露从一米高处下落,这种二阶效应造成的偏差比一微米还小……远远小于室内空气流动或者表面不平整造成的扰动……

    • likrrr 说:

      果然专业。

      正确的观点来自专业的计算,而不是想当然的论证。

    • 鹰狼星 说:

      第一个关于科里奥利力的说法,南北半球的方向是不是反了?

  4. 童天鉴日 说:

    真有趣!和和

    比如说太原已经到了原来北京所在的位置上。于是,这颗从上海发射,瞄准北京的炮弹,却最终落在了太原
    ——————————请不要打我!救命啊!!!

    我们能观察到明显的科里奥利力现象的前提是,被研究物体不受地球自转的”拖拽”作用,能基本保持自己本来运动的惯性,比如在空气中飞行的炮弹,或者不受周围物体粘滞的水。而当一滴沐浴露落到一坨沐浴露的顶端时,由于其粘性,它马上受到底下那坨沐浴露的”拖拽”,跟上了地球自转的步伐,很难再表现出科里奥利力了。
    ——————————前一个”号需更正为“号。下文还有几个

    • Dr.Who 说:

      童天鉴日看来不是太原人。:)
      话说为什么后落下的沐浴液为什么必须受到先落下的沐浴液的“拖拽”,才跟上地球自转的步伐呢?

  5. hbchendl 说:

    wynn chen说得非常正确.”对称性破缺”实际上包括了所有的因素:手的抖动,科里奥利力,justso举出过的无数可能性的扰动,这些扰动有大有小,方向不定,互相交叉,但最终的作用结果就是让流下来的液体柱”歪一下”,而歪一下的后续效果就是划圈了.wynn chne最关键的分析就是一旦液柱歪了,它就会在切向不停地”歪”下去,而径向却并不会继续歪.可惜的是他这个结论正确,但分析还不够清楚.补充一下吧:
    在径向上,液柱偏移之后会有返回的趋势,这是重力的作用,另一方面,下面的液体堆积也在重力作用下不断下沉散开,所以液柱是不能向径向继续偏移的.同时堆积中心的高度又阻碍它立即返回柱心,所以它会暂时稳定在一个较小的切向偏移角度上.
    在切向上的情形就不同了,由于液柱的堆积垫高,它会把液柱自身向两侧推,这里仍然是由”对称性破缺”在起作用,不是顺时针就是逆时针,概率几乎相等.(需要指出的是,这里面,科里奥利力的作用太小了,其他的微扰因素经常会远大于科里奥利力的作用,所以其旋转方向并不会确定的一个方向).一旦液柱在切向上有了一个偏移,原位的堆积垫高就会推动液柱向这个方向上继续偏移,形成了旋转.直到有一个更大的扰动之后才会停止甚至反向.这一点所解释的是实际上的旋转堆积往往不是整齐的象火炬冰琪淋一样一圈圈下来,它往往会换个方向重新旋转.而观察每一小段的堆积,则基本上的旋转堆积的.
    题目所问的是”倒沐浴露”的时候形成的旋转堆积原因,这里的情形偏偏是用手拿着瓶子倒,用手接,所以此时手的抖动就成了影响对称性破缺的最主要原因.在无意识的手的抖动中,概率最大的运动就是划圈,所以我们能看到旋转堆积,同时这种旋转也会经常反向.很少是一个从头到尾都是一个方向的完整的旋转堆积.如果是有意识的,那可以堆积成各种形状,比如一只漂亮的火炬冰琪淋,或者是一截笔直的牙膏.甚至是生日蛋糕上的各种奶花与文字.

    • likrrr 说:

      “一旦液柱在切向上有了一个偏移,原位的堆积垫高就会推动液柱向这个方向上继续偏移,形成了旋转.直到有一个更大的扰动之后才会停止甚至反向.”

      补充一下,根据前面的说法,在这个旋转的过程中,原来中心位置的香波“丘”由于重力,不断降低,一旦低于新形成的“丘”时,完全可以导致液柱重新径向移动。不需要“更大的扰动”。

  6. likrrr 说:

    关于“对称性破缺”,如果指的是下面的堆积的香波影响了上面的液柱,只论述还是不能让人信服。可以做一下下面的试验。
    香波瓶口距板面20cm(或更低),及瓶口距板面1m(或更高),观察距瓶口下10cm处的液柱晃动的幅度有无区别。
    按wynn chen的说法,前者应该会比后者的晃动要更明显。

    • hbchendl 说:

      对称性破缺所导致的是液柱肯定会偏离中轴,而偏离后形成旋转堆积则是由下面的堆积所致.
      在楼上所说的这种情况下,确实是”距离瓶口下10CM处”,距离板面近的晃动要大,此时液柱会受到最下面堆积的牵扯,不过这种牵扯的作用在10CM处已经很小了.所以其影响虽然”大”,但是并不”明显”.
      到了瓶口高度达到一米的时候,恐怕液体落到下面时已经很难形成稳定的液柱了,估计也不会有什么旋转堆积,而是在啪啪的溅落声中,沐浴露飞得到处都是.即使这样,在距离瓶口10CM的地方,还会是稳定的液柱的.

      • likrrr 说:

        20cm,1m..只是一个例子。可以换成15cm,18cm。这么做是想找出受下面堆积物影响的液柱的长度。如果结果理想,可以确定这部分液柱主要受堆积物的影响,而与其他因素关系不大。
        这个实验失败也不能用来否定wynn chen的说法。如果成功,则可加强wynn chen的说法。

        • likrrr 说:

          我有点偏题了。说的也有些问题。脑袋有点混乱。。:)

        • hbchendl 说:

          堆积液对上面液柱的影响高度恐怕也就一两厘米吧。这取决于液体的粘性与下落点的速度。对于沐浴露这样的粘性液体大概就是这点影响。所以在瓶口距离地面只有几厘米的情况下,堆积对液柱的影响就会非常明显了。它甚至能把液柱给顶弯。

  7. hbchendl 说:

    关于科里奥利力还有个很常见的错误:说水池里下水口形成的旋涡是科里奥利力的作用,因此南半球与北半球的旋涡方向正好相反。
    实际上无论在南半球还是北半球,下水口的旋涡方向都是随机的,有时候顺时针,有时候逆时针。我自己也观察过,就在同一个水糟里,多放几次水之后发现,有时候顺时针,有时候逆时针。--只在北半球作过这种观察。
    其原因与“对称破缺”也有关系,这里面比科里奥利力大得多的因素太多了,科里奥得力所起的作用依然太小。

  8. wadefelix 说:

    谬误与真知:马桶、台风与“地转偏向力” | 科学松鼠会 http://songshuhui.net/archives/7126.html
    以前的这篇文章说过,科里奥利力是很小的,不足以影响马桶水流漩涡方向

  9. wadefelix 说:

    对称破缺好像还有点道理。
    不过牛粪的例子还是算了。。。
    牛刚拉出来的大便比人的大便要稀的,但是牛粪却不能像人的一坨屎一样 这样螺旋形累积。。。
    这是因为,牛粪不是一条一条拉的。。。
    低俗的语言,不好意思

  10. 抚腹 说:

    为结果
    寻找理由
    为啥

    想想
    结果的
    原因
    它老是在
    转圈
    难道
    摆成双喜字

    更加好玩
    最低耗能的
    短程线

    投影
    画在
    地上
    谁在和
    铅直的
    重力下落趋势
    作对
    抬头
    仰视
    那个
    质点们
    围绕的
    中心点

    正上方
    有一个
    不动的起点

    俯瞰着
    江湖
    不论它是
    瓶口
    还是
    屁股
    都距离
    截稿时间
    只剩下
    三十六
    小时

  11. kirkendall 说:

    关于科里奥利力在南北半球的作用方向是不是说反了……

  12. 鹰狼星 说:

    第一篇说的我有些疑惑……科氏力不是应该在北半球向右偏,南半球向左偏么?
    “只要是在北半球,科里奥利力的作用都是向左偏;而在南半球都是向右偏;”我觉得应该是反过来的,前面有关于上海到北京的炮弹打到太原的说法应该也是有问题的。

    • kirkendall 说:

      对呀对呀,上海的炮弹向低纬度地区飞,转动半径减小,假设角动量守恒,那么其线速度就会增大,也就是向东偏~~

    • michelleyan 说:

      呵呵 同感!~ 上面写的似乎不很正确

  13. 严红 说:

    解释有一点牵强阿好像~~

  14. kales 说:

    个人感觉这种转圈现象可以比作一副由前述的“对称破缺”所带来的多米诺骨牌。

    大家都知道,把砂子从上往下倾倒,会形成一个圆锥体,当砂子的堆积持续进行时,砂子会从锥体的四周滚下,铺在这个角度恒定的圆锥的锥面上。

    如果倾倒下来的是粘度比较大的液体,同样会出现这样的情况,但是液柱会倾向于整体向一边倾斜,这时候就出现了前述的“对称破缺”。如果将落点比作靶心,那么此时的落点会渐渐从径向偏离靶心,直到流体在靶心方向的堆积的作用和流体粘性剪切力的作用均衡为止。粘性剪切力取决于下落时间和偏转的距离,还有流体粘度,堆积作用是一个三维流动问题,比较复杂。从现象来看,似乎是粘性越大,偏转的角度越大,可见粘性对堆积作用的影响更大,是一个超过线性的因子。

    当偏转角度达到最大后,对称破缺还在继续,落点的靶心方向已经堆积了一定的流体,而向径向的偏转会受到粘性力的限制,所以只能在切向偏转。

    一旦最初的液柱偏向一个方向,此时便只能按照此方向继续偏转下去,径向的力依然是平衡的,只能向切向偏转,而此时一个方向堆积有流体,所以只能向另一个方向持续偏转,形成了这种现象。

    这里有几个假想:
    1,流体刚刚击中地面时,是在靶心位置,然后径向偏转,到达最大值后开始切向转圈,粘度越大,转圈半径越大。
    2,堆积高度越高,转圈半径越小。
    3,旋转方向是随机的
    4,科里奥里力很小,我觉得在粘度如此大的流体中和粘性力比足够可以忽略。

    不知道有没有人有兴趣去做详细的实验^_^

    BTW,我是工程师,如果我设计马桶,我不会相信科里奥里力那么虚无缥缈的东西,我一定在水喷出的时候就给它一个切向速度分量,让它旋转着进下水道。说水池的下水是科里奥里力到还更靠谱一点。

  15. ziplb 说:

    都扯复杂了,可以找找《形与流》这本书的配套电影,上面有详细的解释……

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