תנועת המים בכיור

באדיבות אתר "חלון לפיזיקה".

אנחנו שאלנו ואתם הצבעתם:

 

 המשפט הנכון ביותר הוא המשפט הראשון:  מהירות סיבובם גדלה היות ורדיוס הסיבוב שלהם קטן, על פי חוק שימור התנע הזויתי.

תנועת המים בכיור מושפעת, בין היתר, מהגורמים הבאים:
1. כח המשיכה של כדור הארץ
2. הצורה הלא סימטרית של הכיור
3. כח קוריוליס- הנובע מתנועת הסיבוב של כדור הארץ סביב צירו
4. הצמיגות של הנוזל- לא כל חלקיקי החומר נעים יחדיו
5. שימור התנע הזוויתי
 
אמנם מנינו את "כח קוריוליס" כאחד מהגורמים המשפיעים על תנועת המים בכיור, אולם גורם זה הוא החלש ביותר. טעות נפוצה היא לחשוב שכיוון הסיבוב של המים (עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון) נובע מהסיבוב של כדור הארץ, או כפי שנרשם לעיל "כוח קוריוליס". מאחר ומדובר בכח קטן מאד בתנועה סיבובית בעלת רדיוס קטן, הרי שבאותו מקום על פני כדור הארץ ניתן להבחין בקלות שהמים יכולים לנוע בשני כיווני הסיבוב, מבלי להעדיף כיוון מסויים.

עקרון שימור התנע הזוויתי הוא הגורם לכך שמהירותם של המים הולכת וגדלה כאשר רדיוס הסיבוב שלהם קטן. התנע הזוויתי הוא גודל פיזיקאלי מרכזי בתנועה מעגלית, והוא שווה למסה כפול המהירות המשיקית כפול רדיוס הסיבוב (m×v×R). כאשר התנע הזוויתי נשמר, השינוי של הרדיוס חייב להיות מלווה בשינוי של המהירות המשיקית, כך שמכפלתם תישאר קבועה. כאשר המים מתקרבים לפתח הניקוז של הכיור, רדיוס הסיבוב שלהם קטן ולפיכך מהירותם המשיקית גדלה.
זהו האפקט בו משתמשת גם רקדנית במופע החלקה על הקרח באחד מחלקי הריקוד. היא מתחילה לבצע סיבוב איטי, מצמידה את ידיה אל מעל הראש ומכנסת את רגליה פנימה ואז הסיבוב הופך בבת אחת למהיר מאוד. קירוב הרגלים והידיים למרכז הסיבוב פירושו הקטנת הרדיוס ולפיכך שימור התנע הזוויתי דורש שהמהירות המשיקית תגדל.
 
ועכשיו - לכו לבדוק זאת בביתכם:
באיזה כיוון מסתובבים אצלכם המים בכיור? האם בכל כיור המים מסתובבים באותו הכיוון? האם הצלחתם לגרום למים להסתובב בכיוון הנגדי?
אתם מוזמנים לספר על כך בפורום חושבים פיזיקה.