Почему вода в ванной закручивается в воронку при сливании?

Question

В справочниках много физических формул, а как понять по-простому, качественно, как возникают закручивающие силы при движении потока сплошной среды. Очевидно, аналогичные причины способствуют закручиванию смерчей, водоворотов, циклонов и т.д.

Answer 1

Не знаю как насчёт смерчей и циклонов, и вообще я в физике слаб, тем более в формулах. Вспомнилась поговорка "вода дырочку найдёт" :) Моя версия такая - поскольку в маленькое отверстие вода не может уйти вся сразу, то молекулы ищут наиболее лёгкий путь уйти, "слиться".... Вот и возникает живая очередь :)

Прошу простить мои дилетантские идеи, просто  вопрос понравился. Может во мне умирает физик? Эх, дурак был, что в школе не любил эту замечательную науку!

Answer 2

Главная причина закручивания в воронку в том, что устремляясь в слив, потоки воды с разных сторон от точки слива сталкиваются между собой и их ламинарного состояния переходят в турбулентное. А в таком состоянии именно вращающаяся воронка и будет кратчайшим и самым энерго-не-затратным путём для попадания воды в слив.

Похожие процессы проявляются, например, в  реках, когда вода обтекает какой-то, например идеально круглый предмет, остров, и в месте стыка потоков за этим предметом видны подобные вихри.

Действительно, природа смерчей и циклонов та же. Восходящие потоки, когда они превышают некую критическую скорость, взывают аналогичное турбулентное закручивание масс воздуха вокруг восходящего потока воздуха. И чем больше скорость восхождения, тем сильнее будет закручивание. Тем мощнее будет циклон или смерч.

Answer 3

Мне кажется, что вращение (потом воронка) связаны с ассиметрией стока. "Г-образная" труба слива. Почти наверняка правильное объяснение есть в книжке Рачлис "Физика в ванной"
А смерчи\циклоны это от принципиальной неустойчивости атмосферы (тёплый воздух должен подниматься) + Земля вращается. Уравнения гидродинамики действительно трудно прочитать с первого-третьего раза.

Answer 4

Причина вращательного движения во всех процессах одинакова - направление скорости не совпадает с направлением силы.

Что касается конкретно ванны. Дно ванны всегда сделано с уклоном. Он естественно не идеально геометрический, и поэтому часть воды промахивается мимо отверстия, движется по инерции дальше, бьётся об стенку, разворачивается, соединяется с другими потоками и таким образом вся вода увлекается во вращение.

Comments

 

Причина вращательного движения во всех процессах одинакова - направление скорости не совпадает с направлением силы.

 То есть, получается, что действует сила к центру потока слива, а скорость направлена по кругу (по касательной круга) вокруг потока слива. А сила возникает по уравнению Бернулли: в центре потока скорость больше, поэтому давление меньше?

---

В первую очередь я бы отметил силу гравитации. Самый низкий уровень ванны это отверстие слива, и поэтому сила направлена на него. Прочие силы тоже есть - поверхностного натяжения, вязкости и т.д.

Answer 5

Простого ответа на этот вопрос не существует.

Причиной перехода от ламинарного потока в турбулентный является трение потока о стенки сосуда или трубы. Можно объяснить таким образом и поставить точку, но нет.

Одна из моделей возникновения пристеночной турбулентности описывает этот процесс как образование петелек из струй воды, которые обеими "ножками" опираются на стены. И вот здесь начинаются чудеса. Эти петельки входят друг в друга безо всякого взаимодействия между собой. Модель получается мультиразмерная. Учитывая предполагаемую нами трехмерность пространства, такой водяной "ковер" потрясает воображение.

Как он выглядит с трехмерной точки зрения, почему в нем возникают еще и моменты вращения - на макроуровне, этот вопрос еще сложнее. здесь нужно описать иерархический переход от турбулентности внутри к макропотокам в целом.

Так что объяснение турбулентностью, мягко говоря, от лукавого. Проблему таки можно спрятать под спойлер, но объяснить наглядно не так уж и просто.