kennislink.nl maakt nieuwsgierig

AIs de stop uit het bad wordt getrokken loopt het water kolkend weg – en dat levert de wetenschap een waar probleem op: in welke richting stroomt het water weg? Gaat de draaikolk met de klok mee of juist tegen de wijzers van de klok in? En is het waar dat een bad op het zuidelijk half- rond in een andere richting leegloopt dan één op het noordelijk deel van onze planeet?

In 1962, toen het badwatervraagstuk voor het eerst opdook in de Engelstalige pers, ontlokte het een vloedgolf van reacties. Onder ingezonden-stukkenschrijvers ontstond een hoog oplopende discussie, waarbij de ene partij betoogde dat het draaikolkje linksom moest draaien op het noordelijk, en precies andersom op het zuidelijk halfrond. Anderen bestreden dat en voerden daarbij aan dat zowel linksom- en als rechtsomgaande beweging voorkwam op onverschillig welk halfrond van onze planeet. Uiteindelijk moest de officiële wetenschap er aan te pas komen om de onderlinge ruzies te beslechten.

Vermoedelijk had niemand de moeite genomen om de ene of de andere theorie langs experimentele weg te toetsen. Dat kon ook moeilijk thuis, want daar zijn laboratoriumopstellingen en -omstandigheden voor nodig. Gewone badkuipen en wastafels hebben hun afvoer immers niet precies in het midden en zijn bovendien ook nooit volkomen vlak. Het water krijgt dan al gauw een bepaalde voorkeursrichting.

Daarom schonken de natuurkundigen die zich bezighouden met de bestudering van de vloeistofdynamica allereerst aandacht aan de draairichting die het water had toen de badkuip volliep. Water – zo rapporteerden onderzoekers uit Duitsland – heeft een bijzonder goed ‘geheugen’ voor de richting waarin het in de badkuip is gestroomd. De waterstraal loopt meestal onder een bepaalde hoek het bad in en zo ontstaat een circulatie die door het water wordt vastgehouden tot bij het weglopen toe. Zelfs na uren is – volgens waarnemingen van prof. dr. Ludwig Prandl van de universiteit van Göttingen – nog te zien in welke richting het water in de badkuip is gelopen.

Twee teams van natuurkundigen in Massachusetts (VS) en Sydney (Australië) namen hun proeven dan ook pas nadat zij het water in hun bassins dagenlang hadden laten rusten alvorens ze het lieten weglopen. Gebruik werd gemaakt van een volkomen vlak en cirkelvormig bassin met een diameter van 1,8 meter en een diepte van 15 cm. Het centrale afvoergat was op exact dezelfde hoogte geplaatst als de bodem, en verbonden met een 6 meter lange buis waarin aan het vrije uiteinde een stop was geplaatst Na de dagenlange stilstand van het water trokken de onderzoekers plechtig de stop uit de buis en lieten het bassin leeglopen. Na 15 minuten verscheen de draaikolk tegen de klok in draaiend voor de onderzoekers op het noordelijk, en met de wijzers van de klok mee draaiend voor de onderzoekers op het zuidelijk halfrond.

Water dat in tegengestelde richtingen door de afvoer stroomt – de verklaring van het merkwaardige verschijnsel kan alleen worden gezocht in de aswenteling van de aarde, waardoor plaatsen die zich dichter bij de evenaar bevinden een grotere omloopsnelheid hebben dan plaatsen die meer in de richting van de polen zijn gelegen. De stad Quito bijvoorbeeld, op de evenaar gelegen in Ecuador, legt in de 24 uur die één aardomwenteling duurt precies de gehele aardomtrek af: 40.075 km. De omloopsnelheid van Quito bedraagt dus 40075/24=1.670 km/h. Utrecht op een breedte van 52o, beschrijft in diezelfde tijd een cirkel om de pool met een omtrek van 24.673 km. Bijgevolg is ook de omloopsnelheid kleiner: 1.028 km/h.

De omloopsnelheid op het aardoppervlak neemt dus af naarmate we de pool naderen. Op de pool zelf is de omloopsnelheid nul, en is alleen nog van een draaiing rond de eigen as sprake. Van bovenaf gezien linksom draaiend op de noordpool, en rechtsom draaiend op de zuidpool. Een overeenkomstig verschil bestaat ook tussen het noordelijkste en zuidelijkste punt van een badkuipafvoer – ook al liggen ze maar een paar centimeter uiteen. Aan de zuidkant van de afvoer is de omloopsnelheid op het aardoppervlak iets groter dan aan de noordkant (althans voor het noordelijk halfrond; op het zuidelijk halfrond is het precies andersom), en als gevolg daarvan zal het water linksom kolkend weglopen.

Het linksom wegkolken op het noordelijk, en het rechtsom wegstromen van water op het zuidelijk halfrond is in de natuurkunde bekend als het Coriolis-effect Het is genoemd naar de Franse ingenieur en wiskundige Gaspard Gustave de Coriolis (1792-1843), die in 1835 een traagheidskracht ontdekte die werkt op een voorwerp dat beweegt ten opzichte van een draaiend stelsel. Coriolis was een verwoed biljartspeler, en vroeg zich af hoe een biljartbal zou bewegen als hij zou worden gespeeld op een ronddraaiend biljart. Voor een buitenstaander zou er niets bijzonders aan de hand zijn. Voor hem bewegen de eenmaal gestoten ballen in een keurige rechte lijn voort, en verbijsterd zal hij zich afvragen waarom de spelers niet beter mikken – geen enkele aangespeelde bal wordt tijdens het spel geraakt. Voor de spelers is het veel minder eenvoudig. Telkens als zij een bal spelen zien zij dat die door een onbekende kracht over het doek afbuigt. Maar omdat zij samen met het biljart ronddraaien is het voor hen allerminst duidelijk dat dat aan het ronddraaiende biljart ligt, dat onder de voortrollende bal wegdraait.

Hetzelfde doet zich voor op iedere draaimolen: iemand die in het midden staat van een tegen de klok in ronddraaiende draaimolen werpt een bal naar iemand die aan de rand meedraait. Hij ziet dat zijn worp telkens rechts van de aangeworpen persoon passeert. Die beweegt zich immers ten opzichte van hem met grote omloopsnelheid naar links, en is in de tijdsduur die de bal er over doet om zijn positie te bereiken al een flink eind verschoven. Gooit hij echter naar een buiten de draaimolen stilstaand persoon dan zal hij die altijd treffen. De bal beweegt zich dus volkomen normaal in rechte lijn voort.

De afbuiging als gevolg van de Corioliskracht kan dus alleen worden waargenomen door iedereen die met het ronddraaiende stelsel waarop hij zich bevindt meedraait. De Coriolis-kracht is dus een schijnkracht. En de Coriolis-versnelling (kracht= massa x versnelling) die er aan ten grondslag ligt is een schijnversnelling die alleen maar de mate van afbuiging van bewegende voorwerpen ten opzichte van een ronddraaiend stelsel bepaalt. Aan hun snelheid ten opzichte van de niet-meedraaiende ruimte verandert immers niets.

Op de rond zijn as draaiende aarde is de Coriolis-kracht verantwoordelijk voor de afbuiging van zo’n beetje alles dat beweegt. Zonder de Coriolis-kracht zou het weer zoals wij dat kennen ondenkbaar zijn. Zo gauw op een stilstaande aarde een systeem van hoge luchtdruk zou ontstaan, zou dat in alle richtingen naar gebieden met lagere luchtdruk wegstromen, en dat was alles. Nu echter wordt lucht die van de noordpool zuidwaarts beweegt naar het westen afgebogen – op lagere breedten draait het aardoppervlak er steeds sneller onderdoor -en lucht die van de evenaar naar het noorden stroomt naar het oosten. In beide gevallen is dus sprake van een zijwaartse afbuiging naar rechts, als we kijken in de richting van de wind mee. Hetzelfde geldt voor oostwaartse winden die naar het zuiden, en westwaartse winden die naar het noorden worden afgebogen. Op het zuidelijk halfrond is het precies andersom. Daar ontstaat overal een afbuiging naar links. Alleen op de evenaar zelf is geen sprake van een voorkeursrichting.

Op het noordelijk halfrond hebben zeestromingen en rivieren de neiging om naar rechts te stromen. Zeestromingen, zoals de Golfstroom, kenmerken zich dus door een rechtsomgaande beweging. Bij rivieren stroomt meer water langs de rechteroever en daar mogen we dan ook een grotere erosie door de uitslijpende werking van het water verwachten. Op die manier is bijvoorbeeld de hoge rechteroever van de Wolga veroorzaakt. Ook bij systemen van hoge luchtdruk is – op het noordelijk halfrond – sprake van een rechtsomgaande beweging. De lucht die van de kern met hoge luchtdruk wegstroomt krijgt een zijwaartse afbuiging naar rechts, en zal daardoor de neiging krijgen om langs de isobaren (lijnen van gelijke luchtdruk) rondom de kern te gaan bewegen. De lucht stroomt dus minder snel van de kern weg, en het hogedrukgebied kan zich langer in stand houden.

Bij gebieden van lage luchtdruk uit de Coriolis-kracht zich daarentegen als een aanstromende lucht, die tegen de wijzers van de klok in langs de isobaren zal bewegen. Zo’n depressie of lagedrukgebied, verschilt dus in wezen niet van badwater dat kolkend naar het afvoergat toe stroomt. Ook een depressie kan zich, door het minder snel aanstromen van de lucht lange tijd in stand houden. Op weerfoto’s vanuit de ruimte zijn ze gemakkelijk te herkennen: met linksom kolkende wolkenmassa’s op het noordelijk, en rechtsom kolkende wolkenmassa’s op het zuidelijk halfrond.

Het Coriolis-effect geeft merkwaardige zijwaartse afbuigingen aan alles dat zonder wrijving ten opzichte van het aardoppervlak beweegt. Een kogel die met een snelheid van 400 m/sec op een doel wordt afgeschoten op een afstand van 200 meter, zal op onze breedte 6 mm rechts van zijn doel terechtkomen. Bij nog grotere vluchtafstanden wordt die uitwijking snel groter. Het Duitse geheime kanon dat in 1918 over een afstand van 122 km Parijs bestookte, schoot projectielen af met een gemiddelde grondsnelheid van 686 m/sec (2469 km/h), en die kwamen door de Coriolis- kracht altijd 1,1 km ten westen van hun doel terecht. Doordat het kanon ook in andere opzichten onnauwkeurig was (hoge mondingsnelheid, waardoor loop en projectielen werden vervormd, en een vluchtbaan door verschillende luchtlagen tot een maximale hoogte van 40 km in de stratosfeer) werd niet gecorrigeerd voor het Coriolis-effect en alleen in de richting van Parijs geschoten.

Tegenwoordig worden alle lange-afstandsprojectielen voor het Coriolis-effect gecorrigeerd. Zonder die noodzakelijke correctie zou een raket die vanaf de Noordpool richting Lissabon wordt gelanceerd al gauw 150 km westelijk in de Atlantische Oceaan terechtkomen. Ook vliegtuigen worden gedurende hun lange vluchtroute door hun navigatiecomputer voor de zijwaartse afbuiging gecorrigeerd. (Die correctie is overigens heel klein. De corrigerende kracht voor het Coriolis-effect is voor een vliegtuigje van 10.000 kg en een vluchtsnelheid van 1000 km/h op de pool maximaal 404 Newton en op de evenaar nul).

En toch: we weten nu zo goed hoe het Coriolis-effect wordt veroorzaakt en hoe er voor moet worden gecorrigeerd, maar van tijd tot tijd duiken nieuwe vragen op. Zo berekende de Amerikaanse hoogleraar James McDonald eens dat een wandelaar op gemiddelde breedte op het noordelijk halfrond per kilometer altijd 37 meter naar rechts zou afwijken. McDonald schreef dat dit alleen geldt voor een wrijvingsloos oppervlak zoals spiegelglad ijs. De wrijving op het aardoppervlak voorkomt dat we al wandelend voor het Coriolis-effect moeten corrigeren. Toch keek iedereen die McDonalds verhaal had gelezen direct of zijn rechterschoenen en rechterautobanden niet net iets meer waren versleten. McDonald zelf was er ook niet zo zeker van: hij onderzocht of de rechterwielen van treinen na jaren rijden waren uitgesleten. Dat waren ze niet.

Ook duikt telkens opnieuw het verhaal op dat varkensstaartjes op het noordelijk halfrond naar links, en op hef zuidelijk halfrond.naar rechts zouden draaien. Vermoedelijk is dit gebaseerd op de film “Adventure” uit 1945, waarin Clark Gable een zelfde opmerking maakte over het krullen van haar van vrouwen, op het noordelijk en op het zuidelijk halfrond. Varkenseigenaars hebben in ieder geval al heel vaak hun tegenvoeters op het andere halfrond gebeld om te vragen of er inderdaad een verschil bestaat. We laten het aan lezer over om aan de hand van dit verhaal tot het juiste antwoord te komen. En wie op vakantie toevallig de evenaar passeert moet maar eens kijken of 20 meter ten noorden en 20 meter ten zuiden van de evenaar het water in tegengestelde richting wegkolkt. Naar verluidt staan op sommige plaatsen langs de evenaar al teiltjes met water klaar waarmee toeristen naar het schouwspel worden gelokt.