online.muni.cz Přejít na hlavní obsah

Jak vzniká vír

Ilustrační foto: Canstockphoto.com

Vír je pozoruhodný útvar, s nímž se v nějaké podobě setkal asi každý. Co to vlastně je? Ve víru voda nebo vzduch obíhají dokola kolem určité křivky, tzv. vírové čáry, a rychlost tohoto obíhání roste s tím, jak se částice k této křivce blíží. Vlivem odstředivé síly je například hladina vody ve víru prohloubena, takže se tvoří typický nálevkovitý tvar.

Abychom pochopili, jak vlastně vír vzniká, představme si válcovou nádobu s otvorem uprostřed dna, který je zpočátku uzavřen zátkou. Mícháním vodu uvedeme do mírného krouživého pohybu a poté zátku odstraníme. Voda začne odtékat, nejprve ta, která je nejblíže otvoru (a tedy i ose nádoby), a na její místo se postupně dostává voda, která byla od osy nádoby dále.

Díky symetrii nádoby se tu uplatní zákon zachování momentu hybnosti – jedné z nejdůležitějších fyzikálních veličin, která vyjadřuje množství otáčivého pohybu. Moment hybnosti částice kapaliny vzhledem k ose nádoby je dán součinem její hmotnosti, vzdálenosti od  osy nádoby a obvodové rychlosti. Jestliže vzdálenost částic kapaliny od osy nádoby klesá, musí ve stejném poměru růst jejich obvodová rychlost. Proto je rychlost v blízkosti osy značně vysoká a hladina je tam silně prohloubena.

To je také důvod, proč vzniká vír například ve vaně nebo v umyvadle. Když člověk vyleze z vany, je voda jeho pohybem náhodným způsobem zvířena. A tento vířivý, rotační pohyb se stává zřetelnějším (zesiluje se) při vytékání vody díky právě uvedenému principu.

Na kterou stranu se vír otáčí?
Často se říká, že vír ve vaně je způsoben rotací Země a směr jeho rotace je určen tím, na které jsme polokouli. Jestliže ale provedeme kvantitativní výpočet velikosti tohoto efektu, ukáže se, že pro běžné umyvadlo nebo vanu je zcela zanedbatelný – vana by musela mít průměr alespoň deset metrů, aby se vlivem rotace Země vůbec nějaký vír vytvořil.

Vír ve vaně je tedy způsoben výhradně zbytkovou rotací vody a směr jeho rotace je proto náhodný, podle toho, jak voda před vytažením zátky zrovna proudila. Chcete-li si to ověřit, nechte vodu po opuštění vany nebo napuštění umyvadla půl hodinky ustát. Když potom vytáhnete zátku, žádný vír se nevytvoří, protože náhodný pohyb vody již díky vnitřnímu tření (viskozitě) ve vodě ustal.

Velké víry
Existují ovšem situace, kdy rotace Země vliv na vznik víru i směr jeho otáčení skutečně má. Je tomu tak například v atmosféře, jestliže je vzduch nucen tlakovou níží proudit do určitého místa (řekněme do bodu A). Vlivem rotace Země má vzduch určitý moment hybnosti, který se při jeho přibližování k bodu A projevuje zrychlující se rotací. Nasávání vzduchu do bodu A může být způsobeno například rychle stoupajícím vzduchem zahřátým od zemského povrchu. Tímto způsobem může vzniknout tornádo nebo ještě větší hurikán.

Tornádo.

Vírové prstence
U vírů, o kterých jsme zatím mluvili, obíhají částice kapaliny nebo vzduchu kolem určité, většinou svislé přímky – tedy vírové čáry. Je však také možné si představit, že vírová čára není rovná, ale zakřivená. Je to také případ dvojitého víru, který není obtížné vytvořit tažením lžičky v hrnku kávy (viz obrázek). Vírová čára pak může být půlkružnice – jedná se tedy o dva konce jediného víru propojeného pod hladinou.

Případ dvojitého víru, který není obtížné vytvořit tažením lžičky v hrnku kávy.

Vírová čára může ale být i  uzavřená sama do sebe a mít tak tvar kružnice. Takovéto struktuře říkáme vírový prstenec a je možné ji vytvořit poměrně snadno například vypuzením vzduchu z nádoby s kruhovým otvorem. Vírový prstenec pak postupuje prostorem a  dokáže sfouknout svíčku či shodit pyramidu z kelímků ze vzdálenosti mnoha metrů.

Autor působí jako profesor v Ústavu teoretické fyziky a astrofyziky PřF MU.

Masarykova univerzita | Masaryk university