到底能不能在马桶里看到科氏力的漩涡？
地球上，有十分之一的人眼中的日常现象其实和我们大部分人并不一样。
比如，他们看不到北极星，他们看到的台风（“旋风”）是顺时针转的，他们看到陡峭河岸往往位于河流的左侧......
因为，他们生活在南半球。与此相对的，北半球大陆的面积比南半球大得多，承载着世界上近90%的人口。
由于分属于南北两个半球，地球上的一些自然现象却呈现出相反的规律，这背后最为我们熟知的原因就是地转偏向力（科氏力）。
被误解的地转偏向力
在地理课本中，科氏力又被称为地转偏向力。
提到科氏力，许多人往往将它和地球的自旋关联起来，但实际上，纯粹的“地转偏向力”并不存在，这两个力在英文中只有一个统一的名称“Coriolis force”。
物理学中认为，包括地球在内的任何自身旋转物体，都有可能会产生科氏力。
科氏力来源于一位法国工程师——古斯塔夫·贾斯帕德·科里奥利（Gustave Gaspard de Coriolis），他在研究水轮旋转的能量转化时发现了它，科氏力之名也由此而来。起初，科氏力和大气以及地球的自转“八竿子打不着”，它们分别应用在各自的领域中。
科氏力最初是由科里奥利在水轮上发现的
（图片来源：amatterofind）
和离心力类似，在严格的物理定义中，科氏力并不是实际存在的作用力，它是为了与当地参考系保持一致而引入的一种效应（科氏效应）。
虽然“不存在”，但由于科氏力的概念易于理解，因此被广为流传、广泛应用。
在地球上，几乎所有水平运动的物体都会受到科氏力的作用（除了在赤道上的物体），当它沿着一条直线移动时，随着距离的增加，它的轨迹逐渐发生了弯曲。
“不识庐山真面目，只缘身在此山中”，从某种意义上来说，运动物体眼中的直线是以其脚下的地面为参考系的，而在旁人的眼中，由于地球的自转，这条直线其实一开始就是一条曲线。
是不是有点难以理解？
伽利略在提出相对性原理时举过这样一个例子：假设在一个平静的湖面上，有一艘匀速直线行驶的大船，将所有的窗户都关上。那么，船上的人是否能分辨出这艘船是静止的，还是匀速直线运动的？
伽利略的轮船思想实验
（图片来源：Physics Central）
结果显然不能。由于惯性的控制，船舱内所做的一切力学实验的结果和在静止的船舱里没有任何区别。
同样的，当我们身处在匀速行驶的飞机、火车以及电梯中，往往也会产生“它们是静止的”这样一种错觉。
但地球并不是一艘匀速行驶的船，它始终沿着地轴进行自转。在地球上所有物体的面前，至少摆着两套参考系，一套是以自身为原点的自身参考系，另一套则是以地心为原点，始终在自转的地球参考系。
当然，你还可以建立以太阳为圆心的太阳坐标系等其它无数个坐标系。
而科氏力作为一种惯性力，它并不是一种力，形象地说，它更像一座横跨两套参考系的桥梁。
对于在地球上静止不动的物体，它们会和上一时刻保持相同的运动状态，不论是在自身参考系还是在地球参考系，它们都处于静止状态，科氏力只能“干瞪眼”，发挥不了作用。
在地球表面（非赤道）移动的物体同样也可以选择这两套参考系，但身处不同参考系，它的运动状态却有了差异。当它笔直向前运动时，它的轨迹在自身参考系中是一条直线，而将其轨迹投影在地球表面，则是一条曲线。仿佛有一只无形的手（科氏力）把直线给掰弯了，这条曲线是由旋转的地球和自身的直线轨迹叠加而成的，这就是地球上科氏力的本来面目。
南北半球的科氏力方向为什么是相反的？
因为地球是圆的。尽管地球在自西向东自转，但当我们处于南北半球高空中向下俯瞰（高度要足够），就会发现，在两个半球看到地球的旋转方向是相反的：北极视角逆时针旋转，南极视角顺时针旋转。这也是南北半球科氏力方向相反的原因。
南北半球相反的科氏力（图片来源：pressbooks）
高纬度两极地区的旋转角速度最大，科氏力也大。尽管赤道上也存在旋转角速度，但它正好和地球的旋转方向完全一致，赤道似乎可以是顺时针旋转，又可以是逆时针旋转，这个争议地带就成为了科氏力的禁区（一条无限细的环线）。
洗手池里的小漩涡！
当然，不仅是风、洋流和飞机会受到科氏力的影响，地球上几乎任何在水平方向运动的物体都会受到地转偏向力的作用，甚至包括马桶里的水。
马桶中旋转的水流（图片来源：Mental Floss）
在最理想的状况下，北半球的马桶、浴缸以及洗手池中的水流可以产生逆时针的漩涡，但由于科氏力极其微弱，外加喷水方向、水池的形状以及外界其他因素的干扰，旋转方向往往存在极大的不确定性。
因此，要想真真切切用肉眼观察到“科氏力在马桶中产生的漩涡”极为困难。几乎所有的书本、网站甚至老师都会说，日常所看到的水池里产生的漩涡并不是科氏力导致的。
但世界上的各个角落里，都不免有那么几个喜欢抬杠又爱钻牛角尖的科学家，而麻省理工大学的流体力学教授阿舍尔·夏皮罗（Ascher Shapiro）就是其中之一。
他认为，如果不受任何因素的干扰，即使水池再小，科氏力一定会留下属于它的漩涡，能够被我们捕捉到！
尽管许多科学家都明白这个道理，但却几乎没有人有勇气去做实验验证。因为这个似乎在家中厨房里都可以完成的简单实验，实际上存在着一些不可预知的困难。
水池中的漩涡（图片来源：technologyreview）
1962年，夏皮罗决定尝试挑战这个难题。麻省理工大学所在的纬度是42°，在流速近乎5 mm/s时，科氏力只有当地重力的3000万分之一，为了排除所有因素的干扰，他对测试的各个细节都进行了精心设计。
首先，他选择了一个直径约为1.8米，深度约为0.15米的圆柱形水池，底部中间有一个直径约为1厘米的排水孔，并用塞子进行密封。
此外，他还尽量去除水中的杂质，并调节室内的温度来控制温度的变化。而为了防止气流的干扰，他还在水池的顶部覆盖了一层塑料薄膜。
最容易忽略的一点是，水池充满水后，水体还会残留微小的运动，这甚至会存在数个小时。为了完全规避掉这部分运动的影响，夏皮罗将水池中的水顺时针搅拌旋转，以抵消科氏力在北半球产生的逆时针的漩涡。
经过24小时的沉淀后，夏皮罗小心翼翼地拔下塞子。
在前12-15分钟，他几乎观察不到任何旋转的痕迹。然而，随着时间一分一秒地流逝，在不知不觉中，漩涡逐渐显示出了逆时针的旋转状态。
在各因素被严格控制的条件下，夏皮罗最终印证了北半球的科氏力，确实可以使水池中的漩涡发生逆时针旋转。
就这？这个实验看起来难度也不大，我们好像在自家的厨房里也可以完成，但其他人为什么没有成功呢？
一方面，其他人可能忽视了水的残留运动。他们认为在水池中的水在3-4个小时之后就已经完全静止了。
另外，由于在实验开始前的十多分钟内，几乎捕捉不到旋转的痕迹，且一部分实验者设计的水池可能过小，因此还未等到漩涡出现时，水池中的水早已流失殆尽了。又或是一部分实验者在观察了一段时间后失去了耐心，而在成功的黎明前草草放弃。
为了更加严谨，三年之后，悉尼大学的学者在南半球又做了一次相似的实验，结果也出现了顺时针旋转的漩涡。至此，“水池里看不到科氏力产生的漩涡”这个广为流传的误解被彻底粉碎。
缓慢旋转的漩涡（图源：ffden）
两组实验的结果都发表在了《Nature》上，这随即引发了世界各个国家读者的质疑。在那个没有互联网的年代里，作者和读者只能通过信件来沟通。从发表开始，到十多年之后，夏皮罗还是会收到来自各地的信件，内容几乎全是关于“水池漩涡”。
今天，在麻省理工大学的档案馆中，我们仍可以看到一个褪色的文件夹，里面装满了读者发来的邮件以及夏皮罗谨慎而细致的回信。
科氏力：比你想象得更“无处不在”
科氏力并不会对我们的日常生活产生很大影响，它只有在高速运动的物体上才会充分显现出来。但对狙击手而言，高速飞行的子弹若是受到科氏力的影响，则是致命的。
实际上，狙击并非是游戏中简单酣畅的瞄准射击，超远距离的狙击也并非完全符合“目标-瞄准镜-眼睛”三点一线的原理。
国外“地平主义者”眼中的射击，他们同样否认科氏力的存在（图片来源：thetruthaboutguns）
在扣下扳机的瞬间外，狙击手更多的工作在于感受当地的温湿度、风速和风向，并考虑空气阻力、重力以及当地纬度下科氏力的影响。
当面对极其复杂的击杀任务时，狙击手甚至还会和副手（观察手）使用纸笔进行数学计算，及时调整瞄准镜，否则毫厘之差也可能导致任务的失败。
哈勃望远镜拍摄的星系照片（图片来源：bfmtv）
当然，科氏力并非只出现在地球上，任何星球都会受到科氏力的影响。因为地球的自转速度较慢，所以科氏效应并不明显。
木星是太阳系中自转速度最快的行星，其风速高达每小时610公里。在这里，科氏力“如鱼得水”，甚至可以将南北风转化为东西风。
火星通常被称为地球的姊妹星，但实际上，与地球具有最多共同特征的星球是金星，金星距离地球最近，并且二者的大小几乎相同，构造相差不大，且都有浓厚的大气层。
只是金星是自东向西进行自转（逆转）。因此，金星南半球的科氏力现象与地球的北半球完全相似。星球之间各不相同，但又遵循着相似的规律。
无辜躺枪：“遇事不决，科氏力学”
认识到了科氏力的存在后，有些人往往想把世界上所有的现象都与科氏力联系起来。比如，靠右行驶的交通规则。
他们说：北半球的汽车在科氏力的作用下倾向于偏向道路的两侧，如果左行的话，它们容易与对面过来的车辆相撞，发生车祸。
这听起来似乎很有道理，许多南半球国家也确实按照左行的交通规则。但实际上，这和科氏力没有丝毫关系。
全球有163个国家和地区以右行为交通规范，而76个国家则使用左行的规则，包括英国以及南非、澳大利亚和新西兰等前英国殖民地国家。
行驶规则不同的具体原因可以追溯到中世纪的英国骑士，他们在决斗时，右手持用武器，因此马匹靠近左侧；即使工业革命之后，马匹换成了汽车，这个传统也被沿袭了下来。而18世纪的英国号称“日不落帝国”，它也把右驾左行的交通规则也带到了各个殖民地。
左行与右行驾驶规则（图片来源：BrightSide）
此外，还有一些听起来就很离谱的言论，比如，科氏力导致北半球人的右侧鞋底比左侧磨损得更加严重。然而，这来源于个人的跑步习惯，与地球自转没有丝毫关联。
每个人鞋底的磨损纹路都是独一无二的，就像是我们的指纹。但“鞋纹”记录的是我们的走路习惯，一些刑侦人员甚至可以根据鞋底和泥地中鞋印，在人群中精准地锁定嫌疑人。
鞋底上三种典型的磨损形状（图片来源：treadlabs）
换鞋的时候，不妨偶尔把运动鞋翻过来，花几分钟分析一下你的鞋底。了解鞋底磨损的形状可以帮助你改善走路以及跑步的姿势，防止受伤，并为你购买下一双鞋提供一些指导。
参考链接：
[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
本文由科普中国融合创作出品，城明辰制作，中国科学院计算机网络信息中心监制，“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
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