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Internet Message Format  |  1994-06-10  |  8.4 KB

  1. From: linden@positive.Eng.Sun.COM (Peter van der Linden)
  2. Subject: The pure truth on the Coriolis Farce (sic).
  3. Date: 7 Dec 1992 20:19:13 GMT
  4.  
  5. Here, specially for that thrusting young Antipodean Wayne, is 
  6. the straight dope on why the Coriolis force doesn't bend the water
  7. flowing out of a tub.
  8.  
  9. --------- reposted from 1 year, 4 months ago ---------------
  10.  
  11. >>>>> On 30 Aug 91 04:34:40 GMT, moroney@ramblr.enet.dec.com said:
  12.  
  13. mike> The story that water in a bathtub spirals in a certain way due
  14. mike> to the coriolis force came up again.  Can anyone provide me with
  15. mike> a formula that, given the diameter of a bucket and the diameter
  16. mike> of a small hole in the center of its bottom, and it's filled
  17. mike> with water to a given depth, and the latitude of the bucket (on
  18. mike> Earth) and any other variables necessary, what the observed
  19. mike> rotation rate of the water will be as it drains?  Can this rate
  20. mike> ever exceed one revolution per day?  After all, Earth rotate
  21. mike> only once per (sidereal) day.
  22.  
  23. It is possible to make an experimental apparatus that actually
  24. measures the influence of the Coriolis force, but it is not easy!
  25.  
  26. The governing equations for a homogeneous, incompressible inviscid
  27. fluid are the Euler equations.  When you add the vertical component of
  28. the Coriolis force, you get:
  29.  
  30.     du     du     du            dh
  31.     -- + u -- + v -- - f*v = -g --
  32.     dt     dx     dy            dx
  33.  
  34.     dv     dv     dv            dh
  35.     -- + u -- + v -- + f*u = -g --
  36.     dt     dx     dy            dy
  37.  
  38.     dh     dh     dh     du     dv
  39.     -- + u -- + v -- + h -- + h -- = 0
  40.     dt     dx     dy     dx     dy
  41.  
  42. Where u and v are the two horizontal components of the velocity and h
  43. is the thickness of the fluid.  'f' is 2*Omega*sin(Phi), with Omega
  44. being 2 Pi/(1 day) and Phi being the latitude.
  45.  
  46. When you assume that the velocity scales like U, and the horizontal length 
  47. scale like L, then the ratio of the nonlinear terms to the Coriolis
  48. terms is 
  49.           U
  50.         ----
  51.         f  L
  52.  
  53. For a bathtub, we have U=O(0.1 m/s), L=O(0.1 m), and at mid-latitudes
  54. we have f=O(.0001/s).  So the ratio is O(10,000), meaning that the
  55. nonlinear terms are 4 orders of magnitude bigger than the Coriolis
  56. terms.  So for a quasi-steady swirling flow, the dominant balance is
  57. going to be the nonlinear (centrifugal) terms against the pressure
  58. gradient.   The Coriolis force will be utterly negligible....
  59.  
  60.  
  61. An alternate scaling contrasts the size of the Coriolis term with the
  62. size of the acceleration term.  The ratio of du/dt over fv is
  63. (1/(Tf)), where T is the time scale of the flow.  In order for the
  64. Coriolis terms to be O(1), the time scale would have to be of the
  65. order of (1/f) or 10000 seconds (3 hours).  Most of us don't put up
  66. with bathtub drains that slow!
  67. --
  68. John D. McCalpin            mccalpin@perelandra.cms.udel.edu
  69. Assistant Professor            mccalpin@brahms.udel.edu
  70. College of Marine Studies, U. Del.    J.MCCALPIN/OMNET
  71.  
  72.  
  73. From exodus!cronkite.Central.Sun.COM!sun-barr!cs.utexas.edu!swrinde!zaphod.mps.ohio-state.edu!cis.ohio-state.edu!rutgers!zodiac!tiscione Sun Sep  1 15:01:27 PDT 1991
  74.  
  75. In article <MCCALPIN.91Aug30204215@pereland.cms.udel.edu>, mccalpin@perelandra.cms.udel.edu (John D. McCalpin) writes:
  76. > [Impressive quantitative analysis deleted]
  77. > For a bathtub, we have U=O(0.1 m/s), L=O(0.1 m), and at mid-latitudes
  78. > we have f=O(.0001/s).  So the ratio is O(10,000), meaning that the
  79. > nonlinear terms are 4 orders of magnitude bigger than the Coriolis
  80. > terms.  So for a quasi-steady swirling flow, the dominant balance is
  81. > going to be the nonlinear (centrifugal) terms against the pressure
  82. > gradient.   The Coriolis force will be utterly negligible....
  83.  
  84. This reminds me of a letter to the editor of Science News, when there was
  85. a real furor over how the Coriolis force interacts with this "sensitive
  86. dependence on initial conditions" water drainage thing.  Some guy who was a
  87. tourist in Africa wrote that he was at the equator.  One of the native
  88. folk had a pan full of water, and some leaves floating on the top.  He would
  89. hold the pan in the air WITH HIS HANDS and let the water drain out the
  90. bottom.  When he did this twenty feet from the equator, the leaves swirled
  91. clockwise, and twenty feet on the other side, it swirled counterclockwise,
  92. much to the astonishment of the tourists.  When he stood directly on the
  93. equator, the leaves and water did not swirl around but just flowed radially
  94. into the hole.  Someone who responded to this letter made the calculation
  95. that unless the guy held it to within one millionth of an arc second to the
  96. horizontal, the Coriolis force could not possibly be responsible for the
  97. direction of the drainage.  He speculated that he just imperceptibly
  98. twisted the pan one way or the other, and let the water do the rest.
  99. (Anything for the tourists.)
  100. -- 
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  103. *  For details contact Jason Tiscione, tiscione@zodiac.rutgers.edu  *
  104.  
  105.  
  106. From exodus!cronkite.Central.Sun.COM!sun-barr!cs.utexas.edu!uunet!munnari.oz.au!bruce!monu0.cc.monash.edu.au!monu1.cc.monash.edu.au!map Tue Sep  3 12:34:26 PDT 1991
  107.  
  108. In article <1991Sep2.210401.23439@athena.mit.edu>, aeosawa@athena.mit.edu (Atsushi E Osawa) writes:
  109. > The Coriolis effect can be observed in a bath-tub vortex if you wait long
  110. > enough for the residual momentum of the filling action to die down.  In
  111. > an article in Nature (196:1080-1081, Dec. 15, 1962), Ascher Shapiro reports
  112. > that a counter-clockwise rotation of 0.25-0.33 sec-1 was observed when
  113. > a circular tank of water (filled clockwise) was drained after allowing the
  114. > water to sit for about 24 hrs.  If the tank was drained after only 1 or 2 hrs,
  115. > the vortex went clockwise.  His tank was 6 ft in diameter, 6 in high, with
  116. > a 3/8 in diameter drain, for the experimentally minded of you out there.  He
  117. > was at MIT, approximately 42 N latitude.
  118. > Another fun fact from the "goofy articles" file of
  119. > -the Edster
  120.  
  121. I've been waiting to see if anyone actually answers the guy's original question
  122. and at last someone comes close.  John McCalpin gave us a good outline of scale
  123. analysis (see Pedlosky's Geophysical Fluid Dynamics for more mathematical 
  124. detail) but still no formula.
  125.  
  126. So here goes.  If we assume that the fluid is inviscid (dubious on long time
  127. time scales, but the order of magnitude should be correct) then it can be shown
  128. that the vorticity zeta=du/dy-dv/dx of the flow satisfies
  129.  
  130.                  D( (zeta+f)/H )/Dt = 0
  131.  
  132. where f = 2*Omega*sin(theta) in terms of the angular velocity Omega = 2*pi/day
  133. of the earth and latitude theta, and where H is the depth of the fluid.  For
  134. a fluid initially at rest in a bath of depth H0 we have that
  135.  
  136.                    (zeta+f)/H = f/H0
  137.  
  138. for every fluid particle in the bath.  If we drain a bath of area roughly
  139. 1 m^2 through a hole of area (0.05)^2 m^2 = 2.5E-3 m^2 then we are effectively
  140. rearranging this volume into a tube of height H0/2.5E-3 = 400*H0.  Since
  141. (zeta+f)/H is conserved for fluid particles (see D/Dt equation above), we 
  142. conclude that the vorticity zeta of the fluid in the tube of height 400*H0
  143. is 
  144.        (zeta+f)/(400*H0) = f/H0  =>  zeta = 399*f (call it 400*f).
  145.  
  146. This corresponds to an angular velocity of 0.5*zeta = 200*f, which has a
  147. period of 1/200 of a day when theta = 30 degrees.  That's about a 7.5 minute
  148. rotation period, which is indistinguishable by most of us.  It is smallest
  149. near the poles, where it is half that, but gets longer as you approach the
  150. equator (infinite as theta -> 0).
  151.  
  152. As has been pointed out earlier, the observed swirl is due to residual rotation
  153. from when the bath is filled, which can take a LONG time to completely die
  154. out.  It's easy to rig the results, particularly in a bath with two separate
  155. outlets (for hot and cold).  To make the earth's rotation noticeable you
  156. would need to make the bath larger by a factor of 500 or so, by extending
  157. the linear dimensions by 20 or so AND leaving the whole thing to settle for
  158. a long time, as they do for the experiments.
  159.  
  160. Sure, there is no formula above, but it's easy to work it out from the
  161. information above (for any sized bath and plug hole).
  162.  
  163. -- 
  164. +------------------------------------------------------------------------------+
  165.  Michael Page, Maths Dept, Monash University, Clayton, Victoria, AUSTRALIA 3168
  166. email: map@monu1.cc.monash.edu.au | phone: +61 3 565 4486  | FAX: +61 3 565 4403
  167. +------------------------------------------------------------------------------+
  168.  
  169.  
  170. ----------------- end of included guff -----------
  171.  
  172.      Peter
  173.