Woda w obracanym cylindrze

Co tu można zrobić
Przyjrzyj się powierzchni swobodnej cieczy gdy cylinder jest nieruchomy. Stopniowo zwiększaj prędkość obrotową naczynia. Co zauważasz?


Dlaczego tak się dzieje
Powierzchnia wirującej cieczy przybiera kształt podobny do misy, zwany paraboloidą obrotową. Powierzchnia swobodna cieczy orientuje się zawsze prostopadle do działającej na ciecz siły, np. woda w przechylanej szklance zawsze przyjmuje kierunek poziomy, prostopadły do kierunku siły grawitacji. W przypadku wirującego cylindra mamy do czynienia ze złożeniem dwu sił – siły grawitacji oraz siły odśrodkowej. Wartość siły grawitacji dla danego punktu powierzchni cieczy nie zmienia się podczas doświadczenia, natomiast wartość siły odśrodkowej rośnie wraz ze wzrostem prędkości obrotowej cylindra oraz odległości od osi obrotu. Blisko osi obrotu, gdzie siła odśrodkowa jest mała, dominuje siła grawitacji, więc ciecz układa się poziomo, blisko dna naczynia. Im dalej od środka cylindra, tym większy wkład w siłę wypadkową zyskuje siła odśrodkowa. Malejący stopniowo wpływ grawitacji obserwujemy jako wznoszenie się cieczy w kierunku ścianek naczynia – przy samych ściankach cylindra woda unosi się najwyżej i ustawia niemal pionowo, prostopadle do kierunku działania siły odśrodkowej.


Ciekawostki
Zwierciadło o kształcie paraboloidy obrotowej daje idealne skupienie równoległej wiązki światła w jednym punkcie, zwanym ogniskiem.