Können Sie den Wirbel der Corioliskraft in der Toilette sehen?

Jeder zehnte Mensch auf der Erde nimmt alltägliche Phänomene anders wahr als die meisten von uns.

Sie können beispielsweise den Polarstern nicht sehen, sie sehen Taifune („Zyklone“), die sich im Uhrzeigersinn drehen, und sie sehen steile Flussufer, die eher auf der linken Seite des Flusses liegen …

Weil sie auf der Südhalbkugel leben . Im Gegensatz dazu sind die Kontinente der nördlichen Hemisphäre viel größer als die der südlichen Hemisphäre und beherbergen fast 90 % der Weltbevölkerung.

Aufgrund der Zugehörigkeit der Erde zur Nord- und Südhalbkugel zeigen einige Naturphänomene auf der Erde gegensätzliche Muster. Der bekannteste Grund hierfür ist die Corioliskraft (Corioliskraft).

Die missverstandene Corioliskraft

In Geographielehrbüchern wird die Corioliskraft auch als Corioliskraft bezeichnet.

Bei der Erwähnung der Corioliskraft neigen viele Menschen dazu, sie mit der Erdrotation in Verbindung zu bringen, doch tatsächlich existiert die reine „Corioliskraft“ nicht. Diese beiden Kräfte haben im Englischen nur einen einheitlichen Namen: „Corioliskraft“.

In der Physik geht man davon aus, dass jedes rotierende Objekt, einschließlich der Erde, Corioliskräfte erzeugen kann.

Die Corioliskraft geht auf den französischen Ingenieur Gustave Gaspard de Coriolis zurück, der sie bei der Untersuchung der Energieumwandlung rotierender Wasserräder entdeckte. Daher stammt auch der Name Corioliskraft. Zunächst hatten die Corioliskraft, die Atmosphäre und die Erdrotation nichts miteinander zu tun und wurden in ihren jeweiligen Bereichen angewendet.

Die Corioliskraft wurde erstmals von Coriolis an einem Wasserrad entdeckt (Bildnachweis: amatterofind)

Ähnlich wie die Zentrifugalkraft ist die Corioliskraft im strengen physikalischen Sinne keine tatsächliche Kraft. Es handelt sich um einen Effekt (Coriolis-Effekt), der eingeführt wird, um die Konsistenz mit dem lokalen Referenzrahmen aufrechtzuerhalten.

Obwohl es „nicht existiert“, ist das Konzept der Corioliskraft leicht zu verstehen und daher weit verbreitet und wird häufig verwendet.

Auf der Erde sind fast alle horizontal bewegten Objekte der Corioliskraft ausgesetzt (außer Objekte am Äquator). Wenn es sich entlang einer geraden Linie bewegt, krümmt sich seine Flugbahn mit zunehmender Entfernung allmählich.

„Ich kann das wahre Gesicht des Berges Lu nicht sehen, weil ich mich in seinem Inneren befinde.“ In gewisser Weise dient der Geraden in den Augen eines bewegten Objekts der Boden unter seinen Füßen als Bezugssystem, in den Augen anderer Menschen ist diese Gerade jedoch aufgrund der Erdrotation von Anfang an eine Kurve.

Ist es ein bisschen schwer zu verstehen?

Als Galileo das Relativitätsprinzip vorschlug, gab er ein Beispiel: Angenommen, auf einem ruhigen See fährt ein großes Schiff mit geschlossenen Fenstern mit konstanter Geschwindigkeit in gerader Linie. Können die Menschen an Bord also erkennen, ob das Schiff stillsteht oder sich mit konstanter Geschwindigkeit in einer geraden Linie bewegt?

Galileis Gedankenexperiment zum Schiff (Bildquelle: Physics Central)

Das Ergebnis ist offensichtlich nicht möglich. Aufgrund der Trägheitskontrolle unterscheiden sich die Ergebnisse aller in der Kabine durchgeführten mechanischen Experimente nicht von denen in einer stationären Kabine.

Wenn wir uns in einem Flugzeug, Zug oder Aufzug mit konstanter Geschwindigkeit befinden, haben wir oft die Illusion, dass sie „stationär“ seien.

Aber die Erde ist kein Schiff, das mit konstanter Geschwindigkeit reist; es dreht sich immer um seine Achse. Vor allen Objekten auf der Erde gibt es mindestens zwei Bezugssysteme. Das eine ist das eigene Bezugssystem des Objekts mit sich selbst als Ursprung, das andere ist das Bezugssystem der Erde mit dem Erdmittelpunkt als Ursprung, das sich ständig dreht.

Natürlich lassen sich auch zahlreiche andere Koordinatensysteme festlegen, wie beispielsweise das Solarkoordinatensystem mit der Sonne als Mittelpunkt.

Als Trägheitskraft ist die Corioliskraft überhaupt keine Kraft. Bildlich gesprochen handelt es sich eher um eine Brücke, die zwei Bezugsrahmen überspannt.

Bei Objekten, die auf der Erde stationär sind, bleibt der Bewegungszustand wie im vorherigen Moment erhalten. Ob in ihrem eigenen Bezugssystem oder im Bezugssystem der Erde, sie befinden sich in einem stationären Zustand. Die Corioliskraft kann nur „ins Leere starren“ und hat keine Wirkung.

Objekte, die sich auf der Erdoberfläche (nicht am Äquator) bewegen, können ebenfalls diese beiden Bezugssysteme wählen, ihre Bewegungszustände sind jedoch in verschiedenen Bezugssystemen unterschiedlich. Wenn es sich geradeaus bewegt, ist seine Flugbahn in seinem eigenen Bezugssystem eine gerade Linie, aber wenn seine Flugbahn auf die Erdoberfläche projiziert wird, ist sie eine Kurve. Es ist, als ob eine unsichtbare Hand (Corioliskraft) die gerade Linie gebogen hätte. Diese Kurve entsteht durch die Überlagerung der rotierenden Erde und ihrer eigenen geradlinigen Flugbahn. Dies ist die wahre Erscheinung der Corioliskraft auf der Erde.

Warum ist die Richtung der Corioliskraft auf der Nord- und Südhalbkugel entgegengesetzt?

Weil die Erde rund ist. Obwohl sich die Erde von Westen nach Osten dreht, werden wir, wenn wir uns hoch oben am Himmel der nördlichen und südlichen Hemisphäre befinden und nach unten schauen (die Höhe muss hoch genug sein), feststellen, dass die Drehrichtung der Erde in den beiden Hemisphären entgegengesetzt ist: aus der Perspektive des Nordpols gegen den Uhrzeigersinn und aus der Perspektive des Südpols im Uhrzeigersinn . Dies ist auch der Grund, warum die Corioliskraft auf der Nord- und Südhalbkugel entgegengesetzte Richtungen hat.

Die Corioliskräfte sind auf der Nord- und Südhalbkugel entgegengesetzt (Bildquelle: Pressbooks)

In den polaren Regionen hoher Breiten ist die Rotationslineargeschwindigkeit am größten und auch die Corioliskraft ist dort am stärksten. Obwohl es auch am Äquator eine lineare Rotationsgeschwindigkeit gibt, entspricht diese genau der Richtung der Erdrotation. Der Äquator scheint sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen zu können. Dieser umstrittene Bereich ist zu einer verbotenen Zone für die Corioliskraft geworden (eine unendlich dünne Schleife).

Ein kleiner Strudel im Waschbecken!

Natürlich sind es nicht nur Winde, Meeresströmungen und Flugzeuge, die von der Corioliskraft beeinflusst werden. Fast jedes Objekt, das sich auf der Erde horizontal bewegt, wird von der Corioliskraft beeinflusst, sogar das Wasser in der Toilette.

Das wirbelnde Wasser in der Toilette (Bildquelle: Mental Floss)

Unter idealen Bedingungen kann der Wasserfluss in Toiletten, Badewannen und Waschbecken auf der Nordhalbkugel gegen den Uhrzeigersinn laufende Wirbel erzeugen. Da die Corioliskraft jedoch äußerst schwach ist und Störungen durch die Richtung des Wasserstrahls, die Form des Beckens und andere externe Faktoren auftreten, ist die Drehrichtung häufig äußerst unsicher.

Daher ist es äußerst schwierig, den „durch die Corioliskraft in der Toilette erzeugten Wirbel“ tatsächlich mit bloßem Auge zu beobachten. In fast allen Büchern, auf Websites und sogar bei Lehrern wird darauf hingewiesen, dass die Strudel, die wir täglich in Schwimmbädern sehen, nicht durch die Corioliskraft verursacht werden.

Doch in jedem Winkel der Welt gibt es ein paar Wissenschaftler, die gern streiten und in einer Sackgasse stecken bleiben. Einer von ihnen ist Ascher Shapiro, Professor für Strömungsmechanik am MIT.

Er glaubt, dass die Corioliskraft, wenn es keine störenden Faktoren gibt, unabhängig davon, wie klein das Becken ist, auf jeden Fall einen eigenen Wirbel hinterlassen wird, den wir einfangen können!

Obwohl viele Wissenschaftler diese Wahrheit verstehen, haben nur wenige den Mut, Experimente durchzuführen, um sie zu überprüfen. Denn dieses scheinbar einfache Experiment, das man in der heimischen Küche durchführen kann, bringt tatsächlich einige unvorhersehbare Schwierigkeiten mit sich.

Whirlpool in einem Pool (Bildquelle: technologyreview)

Im Jahr 1962 beschloss Shapiro, dieses Problem anzugehen. Der Breitengrad des MIT beträgt 42°. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit nahe 5 mm/s beträgt die Corioliskraft nur ein 30-Millionstel der lokalen Schwerkraft. Um Störungen durch alle Faktoren auszuschließen, hat er jedes Detail des Tests sorgfältig entworfen.

Zunächst entschied er sich für ein zylindrisches Becken mit einem Durchmesser von etwa 1,8 Metern und einer Tiefe von etwa 0,15 Metern. In der Mitte des Bodens befand sich ein Abflussloch mit einem Durchmesser von etwa 1 cm, das mit einem Stopfen verschlossen war.

Darüber hinaus versuchte er, Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen und passte die Temperatur im Raum an, um Temperaturschwankungen zu kontrollieren. Um Störungen des Luftstroms zu vermeiden, bedeckte er außerdem die Oberseite des Pools mit einer Schicht Plastikfolie.

Der am häufigsten übersehene Punkt ist, dass es nach dem Befüllen des Pools mit Wasser immer noch zu winzigen Bewegungen im Wasser kommt, die sogar mehrere Stunden anhalten können. Um den Einfluss dieser Bewegung vollständig zu vermeiden, rührte Shapiro das Wasser im Becken im Uhrzeigersinn, um den gegen den Uhrzeigersinn laufenden Wirbel auszugleichen, der durch die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel erzeugt wurde.

Nach 24 Stunden Ruhezeit zog Shapiro vorsichtig den Stöpsel heraus.

In den ersten 12–15 Minuten konnte er kaum Anzeichen einer Rotation erkennen. Mit der Zeit drehte sich der Wirbel jedoch allmählich gegen den Uhrzeigersinn, ohne dass es jemand bemerkte.

Unter der Voraussetzung einer strengen Kontrolle aller Faktoren bestätigte Shapiro schließlich, dass die Corioliskraft auf der Nordhalbkugel tatsächlich dazu führen kann, dass sich der Wirbel im Becken gegen den Uhrzeigersinn dreht.

Das ist alles? Dieses Experiment scheint nicht schwierig zu sein und wir scheinen in der Lage zu sein, es in unserer eigenen Küche durchzuführen, aber warum ist es anderen nicht gelungen?

Zum einen übersehen andere möglicherweise die Restbewegung des Wassers. Sie gehen davon aus, dass das Wasser im Pool nach 3–4 Stunden völlig still wird.

Da zudem in den zehn Minuten vor Beginn des Experiments kaum eine Rotationsspur zu erkennen war und das von manchen Experimentatoren entworfene Becken möglicherweise zu klein war, war das Wasser im Becken bereits verloren gegangen, bevor der Wirbel auftrat. Oder vielleicht haben einige Experimentatoren nach einer gewissen Beobachtungsdauer die Geduld verloren und aufgegeben, bevor sich der Erfolg abzeichnete.

Um genauer zu sein, führten Wissenschaftler der Universität Sydney drei Jahre später ein ähnliches Experiment auf der Südhalbkugel durch und stellten fest, dass ebenfalls ein im Uhrzeigersinn rotierender Wirbel zum Vorschein kam. An dieser Stelle ist das weit verbreitete Missverständnis, dass „der durch die Corioliskraft verursachte Wirbel im Becken nicht sichtbar ist“, vollständig widerlegt.

Langsam rotierender Wirbel (Quelle: ffden)

Die Ergebnisse beider Versuchsreihen wurden in Nature veröffentlicht, was sofort Fragen von Lesern auf der ganzen Welt aufwarf. In dieser Ära ohne Internet konnten Autoren und Leser nur per Brief kommunizieren. Mehr als zehn Jahre nach der Veröffentlichung erhielt Shapiro noch immer Briefe aus aller Welt, in denen es fast ausschließlich um „Poolwirbel“ ging.

Noch heute können wir in den Archiven des MIT einen verblassten Ordner voller E-Mails von Lesern und Shapiros sorgfältigen und detaillierten Antworten sehen.

Corioliskraft: Allgegenwärtiger als Sie denken

Die Corioliskraft hat keinen großen Einfluss auf unser tägliches Leben. Es tritt nur bei Objekten vollständig in Erscheinung, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Für Scharfschützen können jedoch mit hoher Geschwindigkeit fliegende Kugeln tödlich sein, wenn sie der Corioliskraft ausgesetzt sind.

Tatsächlich ist das Scharfschießen im Spiel nicht nur ein einfaches Zielen und Schießen, und das Scharfschießen auf extrem große Entfernungen entspricht nicht vollständig dem Prinzip „Ziel-Sicht-Auge“.

Aufnahmen aus der Perspektive ausländischer „Flacherde-Anhänger“, die ebenfalls die Existenz der Corioliskraft leugnen (Bildquelle: thetruthaboutguns)

Neben dem Moment des Abdrückens geht es bei der Arbeit des Scharfschützen vielmehr darum, die örtliche Temperatur und Luftfeuchtigkeit, die Windgeschwindigkeit und -richtung zu spüren und den Einfluss von Luftwiderstand, Schwerkraft und Corioliskraft auf den örtlichen Breitengrad zu berücksichtigen.

Bei extrem komplexen Tötungsmissionen verwenden Scharfschützen sogar Stift und Papier, um mit ihren Assistenten (Beobachtern) mathematische Berechnungen durchzuführen und die Zielfernrohre rechtzeitig anzupassen, da sonst eine kleine Abweichung zum Scheitern der Mission führen kann.

Foto einer Galaxie, aufgenommen vom Hubble-Teleskop (Bildquelle: bfmtv)

Natürlich tritt die Corioliskraft nicht nur auf der Erde auf; Jeder Planet wird von der Corioliskraft beeinflusst. Da sich die Erde langsam dreht, ist der Coriolis-Effekt nicht offensichtlich.

Jupiter ist der am schnellsten rotierende Planet im Sonnensystem mit Windgeschwindigkeiten von bis zu 610 Kilometern pro Stunde. Hier gedeiht die Corioliskraft wie ein Fisch im Wasser und kann sogar Nord-Süd-Winde in Ost-West-Winde verwandeln.

Der Mars wird oft als Schwesterplanet der Erde bezeichnet, tatsächlich ist es jedoch die Venus, die die meisten Gemeinsamkeiten mit der Erde aufweist. Die Venus ist der Erde am nächsten, und beide sind fast gleich groß, haben ähnliche Strukturen und eine dichte Atmosphäre.

Es ist nur so, dass sich die Venus von Ost nach West dreht (Umkehr). Daher ist das Corioliskraftphänomen auf der Südhalbkugel der Venus genau dasselbe wie auf der Nordhalbkugel der Erde. Jeder Planet ist anders, aber sie folgen ähnlichen Gesetzen.

Unschuldige im Kreuzfeuer: „Im Zweifelsfall die Coriolis-Mechanik anwenden“

Nachdem manche Menschen die Existenz der Corioliskraft erkannt haben, neigen sie dazu, alle Phänomene auf der Welt mit der Corioliskraft in Verbindung zu bringen. Beispielsweise die Verkehrsregel des Rechtsfahrens.

Sie sagen: Autos auf der Nordhalbkugel neigen unter dem Einfluss der Corioliskraft dazu, an den Straßenrand abzudriften. Wenn sie auf der linken Seite fahren, besteht die Gefahr, dass sie mit entgegenkommenden Fahrzeugen kollidieren und Verkehrsunfälle verursachen.

Das klingt vernünftig, und in vielen Ländern der südlichen Hemisphäre gilt tatsächlich die Verkehrsregel des Linksfahrens. Tatsächlich hat dies jedoch nichts mit der Corioliskraft zu tun.

In 163 Ländern und Regionen der Welt gilt Rechtsverkehr, während in 76 Ländern Linksverkehr gilt, darunter Großbritannien und ehemalige britische Kolonien wie Südafrika, Australien und Neuseeland.

Der konkrete Grund für die unterschiedlichen Fahrregeln lässt sich auf die mittelalterlichen britischen Ritter zurückführen, die beim Duell ihre Waffen in der rechten Hand hielten, sodass ihre Pferde näher an der linken Seite waren; Auch nach der industriellen Revolution, als Pferde durch Autos ersetzt wurden, wurde diese Tradition fortgeführt. Im 18. Jahrhundert war Großbritannien als das „Imperium, in dem die Sonne nie untergeht“ bekannt und brachte die Verkehrsregeln „Rechts fahren und links gehen“ auch in seine Kolonien.

Links- und Rechtsfahrregeln (Bildquelle: BrightSide)

Darüber hinaus gibt es Aussagen, die haarsträubend klingen, etwa die, dass die Corioliskraft bei Menschen auf der Nordhalbkugel zu einem stärkeren Verschleiß der rechten Fußsohle führt als der linken. Dies ist jedoch auf die persönlichen Laufgewohnheiten zurückzuführen und hat nichts mit der Erdrotation zu tun.

Die Abnutzungsmuster auf jedem unserer Schuhe sind einzigartig, genau wie unsere Fingerabdrücke. Aber „Schuhmuster“ zeichnen unsere Gehgewohnheiten auf. Manche Kriminalbeamte können Verdächtige sogar anhand der Schuhsohlen und Schuhabdrücke im Schlamm in einer Menschenmenge eindeutig identifizieren.

Drei typische Abnutzungsformen an der Sohle (Bildquelle: treadlabs)

Wenn Sie die Schuhe wechseln, ist es eine gute Idee, Ihre Turnschuhe gelegentlich umzudrehen und ein paar Minuten damit zu verbringen, die Sohlen Ihrer Schuhe zu analysieren. Wenn Sie das Abnutzungsmuster Ihrer Schuhsohlen kennen, können Sie Ihre Geh- und Laufform verbessern, Verletzungen vorbeugen und erhalten eine Orientierungshilfe beim Kauf Ihres nächsten Paars Schuhe.

Quellen:

1.https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/coriolis-effect/

2.https://www.thoughtco.com/what-is-the-coriolis-effect-1435315

3.https://factfile.org/10-facts-about-coriolis-effect

4.https://www.technologyreview.com/2012/10/24/183079/verifying-a-vortex/

5.https://www.thenakedscientists.com/articles/interviews/can-you-detect-coriolis-effect-your-sink

6.https://www.nap.edu/read/23394/chapter/47