Het berätt Coriolis-effect is een van de meest fascinerende fenomenen die direct worden veroorzaakt door de draaiing van de aarde om haar eigen as. Dit effect verklaart de afbuiging van de baan van een voorwerp dat beweegt in een roterend systeem en manifesteert zich vooral spectaculair bij grote, grootschalige natuurverschijnselen, zoals windstromen, oceaanstromen en cyclonen.
Een hardnekkige volksmythe is dat het Coriolis-effect ook de draairichting van het water in een afvoer, badkuip of wastafel bepaalt. Voordat we deze mythe ontmantelen, is het noodzakelijk om het effect en zijn werkingsmechanisme tot in detail te begrijpen.
Wat is het Coriolis-effect?
Het Coriolis-effect wordt veroorzaakt doordat de aarde een bol is die elke dag om haar eigen as draait. De snelheid waarmee dit gebeurt is niet overal op aarde hetzelfde. Wanneer de aarde in 24 uur één keer ronddraait, is het rondje dat de aarde aflegt bij de Noordpool kleiner dan het rondje bij de evenaar. Dicht bij de noordpool beschrijft een stilstaand lichaam, als gevolg van de draaiing van de aarde, in 24 uur maar een klein cirkeltje; op de evenaar legt het in een etmaal 40.000 km af. Een lichaam dat van een pool naar de evenaar gaat, beweegt dus steeds sneller, en die versnelling kost kracht.
Door deze draaiing krijg alles dat beweegt een afbuiging. Op het Noordelijk halfrond buigt alles af met de wijzers van de klok mee, op het Zuidelijk halfrond tegen de wijzers van de klok in. Snelheid is een vectoriële grootheid, die gekenmerkt wordt door een grootte en een richting. Als een van deze elementen verandert, treedt er een versnelling op. Het Coriolis-effect, genoemd naar de Franse ingenieur Gustave-Gaspard Coriolis, die het in 1835 voor het eerst beschreef, verklaart deze afbuiging.
Bekeken vanuit een systeem in rust, is elk punt in een roterend systeem minstens onderworpen aan een middelpuntzoekende versnelling. Waardoor deze coriolisversnelling optreedt, kan gedemonstreerd worden aan de hand van het tweedimensionale voorbeeld van een schijf die roteert met hoeksnelheid.
Demonstratie: Draaiende Schijf en Afbuiging
Stel je voor dat je op een draaiende schijf staat en in een rechte lijn naar de overkant wilt lopen. Je krijgt dan ongemerkt een afwijking van de rechte lijn. Een mooie demonstratie van dit effect is te zien als kinderen een bal over een draaimolen naar elkaar toe rollen: de bal wijkt af van de rechte baan.
De bovenste animatie toont een bovenaanzicht van de draaiende plaat. De waarnemer bevindt zich in een stilstaand coördinatensysteem. De bal rolt, vanuit u gezien, in een rechte lijn over de plaat. De plaat draait als het ware onder de bal door. Voor een waarnemer op de plaat lijkt het alsof de bal eerst naar hem toe rolt, daarna wijkt de bal af en lijkt het alsof er een onverklaarbare kracht op werkt. Deze baan wordt aangegeven door de gekromde gele lijn.
Coriolis-effect in de atmosfeer
Het Coriolis-effect is vooral duidelijk bij de beweging van wolkenmassa's rond een lagedrukgebied; ze stromen niet recht naar het centrum maar cirkelen er omheen. Op het noordelijk halfrond gebeurt dit tegen de wijzers van de klok in, op het zuidelijk halfrond met de wijzers mee. Dit staat bekend als de wet van Buys Ballot.
Coriolis-effect in de Praktijk
Door het Coriolis-effect draait de wind niet meer rechtuit ten opzichte van het aardoppervlak, maar vertoont de lucht een draaiing. De wind waait over het oceaanoppervlak en zorgt hier voor oppervlaktestroming. De stroming rondom een lagedrukgebied wordt gekenmerkt door een soort van touwtrekken tussen luchtdrukverschil-kracht en Coriolis-effect.
Bovendien wordt het Coriolis-effect, onder andere, gebruikt in de meet- en regeltechniek om massadebieten te meten. De coriolis-massadebietmeter is een praktische methode om rechtstreeks massadebiet te meten, onafhankelijk van mediumeigenschappen.
Bij het afvuren van projectielen over een aanzienlijke afstand moet er rekening worden gehouden met de draaiing van de aarde. Omdat zowel het wapen als het doelwit met de vaste aarde meedraaien, moet om het doelwit te raken het wapen zodanig worden gericht dat het projectiel en het doelwit gelijktijdig op hetzelfde punt zullen arriveren.
Maar hoe zit het met afvoerwater?
Veel mensen weten te vertellen dat afwaswater op het ene halfrond rechtsom, en op het andere linksom de afvoer in kolkt. De drijfveer zou de Coriolis-kracht zijn. Het verschijnsel is bekend sinds 1835 en hielp astronoom Jean Foucault bij zijn beroemde slingerproef, waarmee hij in 1851 de draaiing van de aarde aantoonde. Zijn slinger roteerde door de Coriolis-kracht langzaam in een kegelvormig vlak.
De draairichting van een kolk is in principe afhankelijk van de plaats op aarde, door het z.g. Coriolis-effect. Op het zuidelijk halfrond draaien die kolken in tegengestelde richting als bij ons. Met het water in een waterbak zou dat ook zo kunnen zijn, maar zo'n bak is zó klein dat je wel een perfect gevormde bak moet hebben om het effect zichtbaar te krijgen. Een kleine onregelmatigheid kan er al voor zorgen dat het water in een bak steeds in dezelfde richting gaat draaien, en dat heeft dan niets met de draaiing van de aarde te maken.
Waarom werkt het effect in afvoeren meestal niet?
Het feit dat water door een afvoer ook altijd met een draaiende beweging wegloopt, wordt niet veroorzaakt door het Coriolis-effect. Vergeleken met de draaiingen die normaliter voorkomen (zoals banden van een auto, een cd, of een leeglopende wastafel), is de draaisnelheid van de aarde zeer traag, slechts één omwenteling per dag. Het effect speelt daardoor in de praktijk geen rol in de draairichting waarin het water uit een badkuip of wastafel wegloopt.
Theoretisch zou de kracht de draairichting van afvoerwater kunnen beïnvloeden, als het maar volkomen rust is. Maar water staat nooit helemaal stil. Andere factoren, zoals stromingen, hebben een veel grotere invloed op de draairichting. Als het effect echt zo groot was, dan zou afvoerwater op de evenaar helemaal niet moeten kolken.
Ir. J.C. Van Muiswinkel, werkzaam bij de sectie stromingsleer van Werktuigbouwkunde, bevestigt: "Nee, dat is een wijd verbreid misverstand." Alleen bij een zeer zorgvuldig experiment met een groot, perfect symmetrisch bassin en volledig tot rust gekomen water kan het Coriolis-effect zichtbaar worden, zoals Shapiro en Trefethen aantonen in experimenten ver van de evenaar.
Oeganda op de evenaar - Waterexperiment | Corioliseffect
Experimenten met afvoerwater
Een experiment uitgevoerd nabij Boston (USA) en later in Sydney (Australië) toont aan: je hebt een speciale bak nodig, twee yards breed en zes inch diep, met een piepklein centraal gat. Het water moet dagenlang tot rust komen, zodat restdraaiingen uit het vullen verdwijnen. Na het verwijderen van het drainplug draait de kolk pas na 12-15 minuten zichtbaar, afhankelijk van het halfrond. Dit is een uiterst "gevoelig" en zeldzaam experiment.
De meeste afvoeren, wastafels en badkuipen zijn niet perfect symmetrisch, het water is niet volledig tot rust en invloeden als hoe het bad is gevuld, of kleine afwijkingen in de symmetrie, domineren. Vandaar dat de demonstraties die toeristen aan de evenaar voorgeschoteld krijgen, vaak een trucje zijn: de draairichting wordt bepaald door bijvoorbeeld het plankje waarmee het water wordt ‘gestabiliseerd’ subtiel op te tillen.
Oorzaken van draaikolken in afvoerwater
- Kleine asymmetrieën in bak of afvoer
- Initiële stromingen door vullen of beweging
- Invloed van temperatuurverschillen
- Reststromen door eerdere beweging
Waar het Coriolis-effect wél van belang is
Het Coriolis-effect is van cruciaal belang bij:
- De cirkelstromen rond lagedrukgebieden
- Windpatronen en oceaanstromingen
- Het optreden van cyclonen
- Grote schaal meteorologische en oceanografische processen
- Massadebietmeters in de industrie
- ABS-systemen in voertuigen
- Projectielbanen over lange afstand
Tabel: Invloedfactoren draairichting afvoerwater vs Corioliskracht
| Factor | Invloed op draairichting afvoerwater | Relatieve Sterkte |
|---|---|---|
| Corioliskracht | Meestal verwaarloosbaar in kleine bakken | Extreem klein |
| Symmetrie van afvoer | Groot: bepaalt draairichting | Hoog |
| Vulwijze water | Bepaalt initiële stroming | Zeer hoog |
| Reststromen | Draaikolk door eerdere beweging | Hoog |
Conclusie: Mythe ontkracht?
De mythe dat het Coriolis-effect de draairichting van afvoerwater bepaalt is robuust, maar in het dagelijks leven grotendeels onjuist. Slechts onder perfecte, gecontroleerde omstandigheden kan dit effect zichtbaar worden, meestal bepaald door andere factoren als vulwijze en symmetrie. In de meteorologie en oceanografie speelt het Coriolis-effect echter een fundamentele en onmiskenbare rol.
Voor wie het fenomeen zelf wil onderzoeken: enkel met een groot, perfect symmetrisch bassin, volledig tot rust gekomen water en onder ideale laboratoriumcondities, is het Coriolis-effect waarneembaar in afvoerwater. In huiselijke omgevingen is het een mythe.