トイレでコリオリの力の渦が見えますでしょうか？

制作：中国科学普及協会

プロデューサー: チェン・ミンチェン

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

地球上の 10 人に 1 人は、日常の現象を私たちの大半とは異なる視点で捉えています。

たとえば、北極星が見えず、台風（サイクロン）が時計回りに回転し、川の左側に急峻な川岸があることがわかります...

彼らは南半球に住んでいるからです。対照的に、北半球の大陸は南半球の大陸よりもはるかに大きく、世界の人口のほぼ 90% が住んでいます。

地球は北半球と南半球に属しているため、地球上のいくつかの自然現象は反対のパターンを示します。この背後にある最もよく知られている理由は、コリオリの力（Coriolis force）です。

誤解されているコリオリの力

地理の教科書では、コリオリの力はコリオリの力とも呼ばれています。

コリオリの力というと、地球の自転を連想する人が多いのですが、実は純粋な「コリオリの力」は存在しません。これら 2 つの力には、英語では「コリオリの力」という統一された名前しかありません。

物理学では、地球を含むあらゆる回転物体はコリオリの力を生み出す可能性があると考えられています。

コリオリの力は、回転する水車のエネルギー変換を研究しているときに発見したフランスの技術者、ギュスターヴ・ガスパール・ド・コリオリに由来します。コリオリの力という名前はここから来ています。当初、コリオリの力、大気、地球の自転は互いに何の関係もなく、それぞれの分野に適用されていました。

コリオリの力は、コリオリによって水車で初めて発見されました (画像提供: amatterofind)

遠心力と同様に、厳密な物理的定義では、コリオリの力は実際の力ではありません。これは、ローカル参照フレームとの一貫性を維持するために導入された効果（コリオリ効果）です。

コリオリの力は「存在しない」にもかかわらず、その概念は理解しやすいため、広く普及し、利用されています。

地球上では、水平方向に移動するほぼすべての物体はコリオリの力の影響を受けます（赤道上の物体を除く）。直線に沿って移動すると、距離が長くなるにつれて軌道が徐々に曲がります。

「私は廬山の中にいるので、廬山の本当の姿を見ることはできない。」ある意味では、移動体の目から見た直線は、足元の地面を基準系として使用しますが、他の人の目では、地球の自転により、この直線は実際には最初から曲線です。

ちょっと分かりにくいでしょうか？

ガリレオが相対性原理を提唱したとき、彼は次のような例を挙げました。静かな湖の上で、窓をすべて閉めた大きな船が一定の速度で直線的に進んでいるとします。では、船に乗っている人は船が止まっているのか、それとも一定の速度で直線的に動いているのかを判断できるのでしょうか?

ガリレオの船上での思考実験（画像提供：Physics Central）

結果は明らかに不可能です。慣性の制御により、キャビン内で実施されるすべての機械的実験の結果は、静止したキャビン内での実験と変わりません。

同様に、一定の速度で動いている飛行機、電車、エレベーターに乗っているとき、私たちはしばしば「それらが静止している」という錯覚を抱きます。

しかし、地球は一定の速度で航行する船ではありません。常に軸に沿って回転します。地球上のすべての物体の前には、少なくとも 2 つの参照システムが存在します。 1 つは、物体自体を原点とする物体自身の参照系であり、もう 1 つは、地球の中心を原点とし、常に回転している地球の参照系です。

もちろん、太陽を中心とした太陽座標系など、他の無数の座標系を確立することもできます。

慣性力であるコリオリの力は、まったく力ではありません。比喩的に言えば、それは 2 つの参照フレームにまたがる橋のようなものです。

地球上で静止している物体は、前の瞬間と同じ運動状態を維持します。自身の基準フレームであっても、地球の基準フレームであっても、それらは静止状態にあります。コリオリの力は「ぼんやりと見つめる」ことしかできず、効果はありません。

地球の表面上（赤道上ではない）を移動する物体も、これら 2 つの参照フレームを選択できますが、参照フレームが異なると、その動きの状態は異なります。まっすぐ前進する場合、自身の基準フレーム内の軌道は直線ですが、その軌道を地球の表面に投影すると曲線になります。まるで見えざる手（コリオリの力）が直線を曲げているかのようです。この曲線は、自転する地球とそれ自身の直線軌道の重ね合わせによって形成されます。これが地球上でのコリオリの力の本当の姿です。

北半球と南半球でコリオリの力の方向が逆なのはなぜですか？

地球は丸いからです。地球は西から東へ自転していますが、北半球と南半球の空の高いところから下を見ると（十分な高さが必要です）、2 つの半球から見た地球の自転方向が逆であることがわかります。北極から見ると反時計回り、南極から見ると時計回りです。これは、コリオリの力が北半球と南半球で反対方向になる理由でもあります。

コリオリの力は北半球と南半球では逆である（画像提供：pressbooks）

高緯度の極地域では自転の角速度が最も大きく、コリオリの力も強くなります。赤道上でも回転の角速度はありますが、地球の自転方向と全く同じです。赤道は時計回りまたは反時計回りに回転しているようです。この議論の的となっている領域は、コリオリの力（無限に細いループ）の禁断の領域となっています。

シンクに小さな渦巻きを設置！

もちろん、コリオリの力の影響を受けるのは風や海流、飛行機だけではありません。地球上で水平に移動するほぼすべての物体は、トイレの水でさえも、コリオリの力の影響を受けます。

トイレの渦巻く水（画像提供：Mental Floss）

理想的な条件下では、北半球のトイレ、浴槽、洗面台などの水の流れは反時計回りの渦を発生させますが、コリオリの力は非常に弱いため、水しぶきの方向、プールの形状、その他の外部要因による干渉と相まって、回転方向は極めて不確実になることがよくあります。

そのため、実際に「トイレ内でコリオリの力によって発生する渦」を肉眼で観察することは極めて困難です。ほとんどすべての本、ウェブサイト、さらには教師でさえ、私たちが毎日プールで見る渦はコリオリの力によって引き起こされるものではないと言います。

しかし、世界のあらゆる場所に、議論を好み、行き詰まる科学者が常に数人いる。MITの流体力学教授、アッシャー・シャピロもその一人だ。

彼は、いかなる要因からの干渉もなければ、プールがどんなに小さくても、コリオリの力は必ず独自の渦を残し、それを私たちが捕らえることができると信じています。

多くの科学者がこの真実を理解しているにもかかわらず、それを検証するための実験を行う勇気を持つ人はほとんどいません。なぜなら、この単純な実験は、自宅のキッチンで完了するように見えるが、実際には予測できない困難を伴うからである。

プールの渦流（画像提供：technologyreview）

1962年、シャピロはこの問題に挑戦することを決意しました。 MITの緯度は42°です。流速が 5 mm/s に近い場合、コリオリの力は局所重力の 3000 万分の 1 にすぎません。あらゆる要因からの干渉を排除するために、彼はテストのあらゆる細部を注意深く設計しました。

まず、直径約1.8メートル、深さ約0.15メートルの円筒形のプールを選びました。底の真ん中に直径1cmほどの排水穴があり、栓で密閉されていました。

さらに、水から不純物を取り除き、室温の変化を抑えるために室内の温度を調節するよう努めました。空気の流れを妨げないように、プールの上部をプラスチックフィルムで覆いました。

最も見落とされやすい点は、プールに水を満たした後も、水中にはまだ小さな動きがあり、それが数時間続くこともあるということです。この動きの影響を完全に避けるために、シャピロはプールの水を時計回りにかき混ぜて、北半球のコリオリの力によって発生する反時計回りの渦を相殺しました。

24時間放置した後、シャピロは慎重にプラグを引き抜いた。

最初の 12 ～ 15 分間は、回転の兆候をほとんど感じられませんでした。しかし、時間が経つにつれ、誰も気づかないうちに渦は徐々に反時計回りに回転するようになりました。

すべての要因が厳密に制御されているという条件下で、シャピロは最終的に、北半球のコリオリの力が実際にプール内の渦を反時計回りに回転させることができることを確認しました。

それでおしまい？この実験は難しくないように思えますし、自宅のキッチンでも完了できそうですが、なぜ他の人は成功しなかったのでしょうか?

一つには、他の人が水の残留移動を見落とす可能性があります。プールの水は3〜4時間後には完全に静止すると考えられています。

また、実験開始前の10分間にはほとんど回転の痕跡が見られなかったことや、一部の実験者が設計したプールが小さすぎた可能性もあることから、渦が現れる前からプールの水は失われていたと考えられます。あるいは、実験者の中には、しばらく観察した後に忍耐力を失い、成功が見える前に諦めてしまった人もいるかもしれません。

さらに厳密に言えば、3年後、シドニー大学の学者たちが南半球で同様の実験を行ったところ、時計回りに回転する渦も現れた。この時点で、「コリオリの力による渦はプールでは見えない」という広く信じられていた誤解は完全に打ち砕かれました。

ゆっくり回転する渦 (出典: ffden)

両方の実験の結果はネイチャー誌に掲載され、世界中の読者から即座に疑問が投げかけられました。インターネットのない時代では、著者と読者は手紙を通じてのみコミュニケーションをとることができました。出版から10年以上経った後も、シャピロは世界中から手紙を受け取っており、そのほとんどは「プールの渦」に関するものだった。

現在でも、MIT のアーカイブには、読者からの電子メールとシャピロ氏の慎重かつ詳細な返答が詰まった色あせたフォルダーが残っています。

コリオリの力：あなたが思っている以上に普遍的

コリオリの力は私たちの日常生活に大きな影響を与えません。これは、高速で移動する物体にのみ完全に現れます。しかし、狙撃兵にとって、高速で飛んでくる弾丸はコリオリの力の影響を受けると致命的となる可能性がある。

実際、ゲーム内での狙撃は単純な照準と射撃ではなく、超長距離の狙撃は「ターゲット-視力-目」の原則に完全には適合しません。

コリオリの力の存在を否定する外国人「地球平面論者」の視点から撮影（画像提供：thetruthaboutguns）

狙撃手の仕事は、引き金を引く瞬間だけでなく、現地の気温や湿度、風速や風向を感じ取り、現地の緯度における空気抵抗や重力、コリオリの力の影響を考慮することです。

極めて複雑な殺害任務に直面した場合、狙撃手は助手（観測員）とともにペンと紙を使って数学的な計算を行い、適時にスコープを調整します。そうしないと、わずかな違いが任務の失敗につながる可能性があります。

ハッブル望遠鏡で撮影された銀河の写真（画像提供：bfmtv）

もちろん、コリオリの力は地球上でのみ現れるわけではありません。どの惑星もコリオリの力の影響を受けます。地球はゆっくりと自転しているので、コリオリの効果は明ら​​かではありません。

木星は太陽系で最も速く自転する惑星で、風速は時速610キロメートルに達します。ここでは、コリオリの力が水を得た魚のように活発に働き、南北の風を東西の風に変えることもできます。

火星は地球の姉妹惑星と呼ばれることが多いですが、実際には地球と最も共通する特徴を持つ惑星は金星です。金星は地球に最も近い惑星であり、両者はほぼ同じ大きさで、構造も似ており、どちらも厚い大気を持っています。

ただ、金星は東から西へ（反転）回転するだけです。したがって、金星の南半球におけるコリオリの力の現象は、地球の北半球におけるものとまったく同じです。それぞれの惑星は異なりますが、同様の法則に従います。

銃撃戦に巻き込まれた罪のない人々：「疑わしい場合はコリオリの力学を利用」

コリオリの力の存在に気付いた後、世の中のすべての現象をコリオリの力と関連付ける傾向がある人もいます。たとえば、右側通行という交通ルール。

北半球の車はコリオリの力の影響で道路の脇に逸れる傾向があると言われています。左側通行をすると、対向車と衝突して交通事故を起こしやすくなります。

これは理にかなっているように思えますし、南半球の多くの国では左側通行という交通ルールが実際に守られています。しかし、実際には、これはコリオリの力とは何の関係もありません。

世界には右側通行を交通規範とする国と地域が 163 ヶ国あり、英国や南アフリカ、オーストラリア、ニュージーランドなどの旧英国植民地を含む 76 ヶ国では左側通行を採用している。

異なる運転規則の具体的な理由は、決闘のときに右手に武器を持ち、馬が左側に近かった中世の英国の騎士にまで遡ることができます。産業革命後、馬が自動車に置き換えられた後も、この伝統は守られていました。 18 世紀、イギリスは「太陽の沈まない帝国」として知られ、右側通行、左側通行の交通ルールを植民地にもたらしました。

左側通行と右側通行の運転ルール（画像提供：BrightSide）

さらに、コリオリの力により北半球の人々は右足の裏が左足の裏よりもひどくすり減るなど、とんでもない主張もあります。しかし、これは個人のランニング習慣によるもので、地球の自転とは何の関係もありません。

私たちの靴の摩耗パターンは、指紋と同じようにそれぞれ異なります。しかし、「靴の型」は私たちの歩き方の習慣を記録します。犯罪捜査官の中には、靴底や泥に残った靴跡に基づいて、群衆の中にいる容疑者を正確に特定できる人もいます。

靴底の典型的な摩耗形状 3 つ (画像提供: treadlabs)

靴を履き替える際は、時々スニーカーを裏返し、靴底を数分間分析してみるとよいでしょう。靴底の摩耗パターンを理解することで、歩き方や走り方を改善し、怪我を予防し、次に靴を購入するときに役立つヒントが得られます。

参考文献:

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