谢皮罗的实验及比尼的实验

快乐的实验

1．谢皮罗的实验

如果大家把澡盆放满水后拔去塞子，仔细观察一下，也许会因为见到的结果各不相同而议论纷纷。但是在北半球，一般较多的是向左旋的情况。实际上，在水流出来的时候确实有一个想使它向左旋转的倾向或影响力。

谢皮罗于1962年对浴盆的水进行了有代表性的研究。他的实验如果仅限于盆中的水，种种不利的因素就会使实验结果失真，从而掩盖了自然界影响的存在。例如，如果塞子拔去之前澡盆里的水已略微有点旋转，恐怕就会坏事。另外，哪怕水是完全静止的，因为澡盆一端热一端冷，也会使水的受热不均匀。还有，从门缝下吹进来的风也可能在水面上造成极小的旋涡。这些干扰所造成的影响都要比科里奥利力的影响大很多。

为了避免所有这一切不利因素，谢皮罗使用一个巨大的碟形容器。它直径长1．8米，但深仅15厘米，正中开有一个直径1厘米的小孔。他花了很大的努力，将容器灌满水。不消说，亦不让门缝下吹进来的风吹到水面。为了使水面不会部分地受热，还要防止光直接照射在上面。

这中间特别重要的是，在实验开始前24小时就要把水放好。采取了这些措施之后，实验一开始，水就立刻一边沿逆时针方向旋转一边流出去了。谢皮罗教授的实验室地处美国马塞诸塞州的波士顿，也就是说在北半球。

2．比尼的实验

两年后，英国皇家学会特别会员A．M．比尼博士决定在剑桥大学的工科实验室里用一个直径1．5米，深7．6厘米的水槽试一下，看能否得到与谢皮罗实验一致的结果，然而刚开始就失败了。比尼在实验过程中，水平静下来还不够3小时，仅这一点就预示着情况不妙。另外，在排水管上安上特别的调节装置却带来了不良的后果；从水管送来的水有泡沫，放置24小时后仍然如此；而且从水槽上面的天花板缝隙里又有风吹进来，天寒地冻时，水会自然而然地旋转起来。比尼博士看到这些情况后，就对这个最初的实验不再抱有希望了。

在进行第二次准备时，他照旧竭尽全力做到放水时不受任何外界影响。为了防止灰尘和门缝风的干扰，在水槽上面一直盖着两块聚乙烯的盖板。要了解水槽内的状况时，则通过这两块盖板间的缝隙进行观察。由于担心在实验室中有热效应，所以一律不用电灯，而依靠从北窗射入的自然光。

为了让水保持稳定，比尼博士最少将其放置21小时，有时甚至长达3天。采取这一系列措施之后，实验终于成功了，我们又看见了和上面一模一样的情况，完全证实了谢皮罗实验。比尼博士进行了15次实验，水每次都逆时针方向卷成旋涡。

3．悉尼大学的实验

此后不到一年，又有澳大利亚悉尼大学的实验报告公之于世。悉尼大学的科学家参考了谢皮罗和比尼的经验，采用的圆形水槽直径1．8米，深22．9厘米，中心处开有排水用的小孔。他们用的容器不是金属的，而是用三合板制成的。这样可以防止在水槽的不同部位出现温差，尽量减少因此而形成旋涡的可能性。准备就绪之后，灌水一结束，5位科学家就用三合板把天花板上的换气孔堵住，再用薄塑料板盖住三合板。水槽用两块三合板盖好，只留观察用的窄缝。随后他们离开房间，搁置18小时让水稳定下来。再进来时，大家尽可能动作迅速，关上房门。他们看到，水始终一边顺时针方向旋转，一边从排水孔流出去。也就是说，从上面看下来是向右旋转的——注意，澳大利亚在南半球。

在这些具有求实精神的科学家做过实验之后，我们就可以很有把握地说，盆里的水在北半球是向左、在南半球是向右卷成旋涡流出去的。

在肯尼亚的小镇纳纽基，有一家普通的旅馆，却有着不凡的特点——浴盆的排水孔恰好在赤道上。在这儿做实验时，先将澡盆的水灌满，再撒上一些五颜六色的碎纸片。拔去塞子后，这些纸片并没有朝着某个方向旋转，而是一直被吸进排水孔去了。

4．地球自转力学分析

由于自转影响，严格上说地球是一个非惯性参照系。考虑地球绕地轴自转时，可以认为它的角速度是沿着地轴的一个恒矢量，对该类的空间转动参照系，要考虑惯性力才能使牛顿第二定律成立（见图9－7）。方程形式为

ma′＝F＋mω² R－2mω×v′

其中，a′为物体在空间转动参照系中的加速度，F为物体所受的合外力，ω为地球自转的角速度矢量，v′指物体相对于非惯性参照系的速度。

mω² R－2mω×v就是物体在地球这一非惯性参照系中的两个惯性力。mω² R就是我们熟知的惯性离心力，其方向沿自转半径向外。我们把－2mω×v′叫科里奥利力，它是由于参照系的转动及质点对此转动参照系的相对运动所引起的，其方向垂直于ω和v′所决定的平面并由右手螺旋法则及负号决定。

图9－7　地球自转力学分析

由此可见，地球的自转至少会从三方面产生影响：一是由于自转，导致地球上的观察者观察到相对运动；二是惯性离心力产生的影响；三是科里奥利力产生的影响。

5．掌握知识的乐趣

在某种程度上来说，科学不过是对有系统地组织起来的好奇心的满足。在猎奇探秘这一点上，一个半世纪前的科学家和今天的科学家并无多大差异。1850年，傅科直望着从67米高的先贤祠大厅顶部悬下来的重锤摆来摆去，他并没有得到任何物质的实惠。但是，在教堂、大厅、家具、人等随地球一齐旋转的过程中，他却发现了摆锤没有受到这些影响，依然有规则地前后摆动。傅科从中得到的是莫大的快乐。

过了100多年，波士顿的谢皮罗、剑桥的比尼博士、悉尼的学者等，开始仔细观察从水槽流出的水，他们也都是为自己的好奇心（或者解释为追求真理的责任心）所驱使。当时，他们从中得到的，也不过是知道了发生试验结果后所带来的纯粹的欢乐而已。

然而，傅科的实验结果却导致了航海、航空用陀螺罗盘以及火箭导向装置的问世。有关从浴盆里流出的水会旋转的知识则为我们提供了理解低气压的途径。低气压也同样是一种旋涡。差别仅仅在于，澡盆的水是向下流出的，而流入低气压处的空气是向高空升去的。

你可用一只小秤盘来体会一下这个示范表演。把3只餐叉插在1只软木塞上，就能做个贤人祠的圆屋顶，再用1只浅盘作为地板，用1个苹果和一根线制作摆。把1枚针笔直地插进苹果，把另一枚针笔直地插进软木塞，再通过两个针眼，穿上一根很牢的线，线的长度要合适，刚好让针戳透苹果后，差一点点可碰到浅盘。在浅盘里撒些精盐，浅盘就代表地球表面的一部分。至此，你的“贤人祠”已一切就绪。

摆动这个摆，苹果下面的针头在精盐上划着纹道。摆摆动期间，你很小心地转动浅盘，你会看到渐渐地有新的纹道划出来。这就用实验证明，钟摆一直在同一平面上摆动，并且也没有跟着浅盘一起旋转。

在这里，我们尚未用这个实验来证明地球正在旋转，但是我们已经以较小的规模，重做了傅科的实验。

请你参与实验