Где ускорение кориолиса будет наибольшим. "Сила" Кориолиса в Природе и технике - фейк? или Направление вихревых спиралей

Сила Кориолиса , вызванная вращением Земли, может быть замечена при наблюдении за движением маятника Фуко. (Пример маятника изображен на гифке).
Также она определяет направление вращения вихрей циклонов, которые мы наблюдаем на снимках, полученных с метеоспутников и, при идеальных условиях - направление закручивания сливаемой воды в раковину.

Маятник Фуко в Исакиевском соборе:

Железная дорога и сила Кориолиса

В Северном полушарии приложенная к движущемуся поезду сила Кориолиса направлена перпендикулярно рельсам, имеет горизонтальную составляющую и стремится сместить поезд вправо по ходу движения. Из-за этого реборды колёс, расположенных по правой стороне поезда, оказываются прижаты к рельсам.

Кроме того, поскольку сила Кориолиса приложена к центру масс каждого вагона, то она создаёт момент силы, из-за которого возрастает нормальная сила реакции, действующая на колёса со стороны правого рельса в направлении, перпендикулярном поверхности рельса, и уменьшается аналогичная сила, действующая со стороны левого рельса. Понятно, что в силу 3-го закона Ньютона сила давления вагонов на правый рельс также больше, чем на левый.

На одноколейных железных дорогах поезда обычно ходят в обоих направлениях, поэтому последствия действия силы Кориолиса оказываются одинаковыми для обоих рельс. Иначе обстоят дела на двухколейных дорогах. На таких дорогах по каждой колее поезда движутся только в одном направлении, вследствие чего действие силы Кориолиса приводит к тому, что правые по ходу движения рельсы изнашиваются сильнее, чем левые. Очевидно, что в Южном полушарии из-за изменения направления силы Кориолиса больше изнашиваются левые рельсы. На экваторе эффект отсутствует, поскольку в этом случае сила Кориолиса направлена вдоль вертикали или — при движении вдоль меридиана — равна нулю.

Сила Кориолиса и Природа

Кроме того, сила Кориолиса проявляется и в глобальных масштабах. В Северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо по ходу движения тел, поэтому правые берега рек в Северном полушарии более крутые — их подмывает вода под действием этой силы (Закон Бэра). В Южном полушарии всё происходит наоборот. Сила Кориолиса ответственна также и за вращение циклонов и антициклонов (геострофический ветер): в Северном полушарии вращение воздушных масс происходит в циклонах против часовой стрелки, а в антициклонах — по часовой стрелке; в Южном — наоборот: по часовой стрелке в циклонах и против — в антициклонах. Отклонение ветров (пассатов) при циркуляции атмосферы — также проявление силы Кориолиса.

Силу Кориолиса необходимо учитывать при рассмотрении планетарных движений воды в океане. Она является причиной возникновения гироскопических волн.

При идеальных условиях сила Кориолиса определяет направление закручивания воды например, при сливе в раковине. Однако идеальные условия трудно достижимы. Поэтому феномен «обратного закручивания воды при стоке» является скорее околонаучной шуткой.

Фиктивность "силы" Кориолиса

Мы стреляем из пушки на Северном полюсе строго перпендикулярно экватору.

На левом рисунке изображена траектория, которую мы наблюдали бы, если бы Земля не вращалась. Снаряд бы попал в "Цель" в Атлантическом океане. Но Земля вращается. И пока снаряд летит к экватору, цель смещается со скоростью вращения Земли на экваторе. В итоге снаряд падает не в Атлантику, а на голову бедных боливариан.
Поместим в "Цель" наблюдателя. Он увидит некую криволинейную траекторию снаряда - тот будет отклоняться от прямой к наблюдателю тем сильнее, чем больше радиус вращения его проекции на землю.

Как же мы можем рассчитать движение такого снаряда? Казалось бы, какие проблемы? Берем сферические координаты и задаем снаряду два вектора скорости: один - к экватору, а второй - относительно оси вращения Земли. Но наука не любит простых путей. Она подошла к этому вопросу фундаментально.

Согласно первому закону Ньютона, снаряд движется по инерции, так как на него не действуют никакие силы, заставляющие его свернуть с прямого направления на экватор. Но наблюдатель же видит, что снаряд отклоняется. Значит, на него действует сила, иначе нарушается закон Ньютона. И такую силу придумали: силу Кориолиса .

Сила Кориолиса не является «настоящей» в смысле механики Ньютона. При рассмотрении движений относительно инерциальной системы отсчета такая сила вообще не существует. Она вводится искусственно при рассмотрении движений в системах отсчета, вращающихся относительно инерциальных, чтобы придать уравнениям движения в таких системах формально такой же вид, что и в инерциальных системах отсчета.
Это цитата из " Физические основы механики: Учебное пособие "

Прямо и недвусмысленно указано, что такой силы не существует. Просто, если кому захочется посчитать, то он может воспользоваться такой моделью. А может и сферическими координатами, как я уже писал. Но кому это надо? На практике кориолисово смещение не встречается. Даже при стрельбе из ружья оно равно несколько сантиметров (http://goldprop02.h1.ru/Path-X-Mechanic/SK-Zemla-1.htm), а порывы ветра смещают пулю сильнее. Впрочем, в снайперской винтовке в оптическом прицеле нет никакого учета бокового сдвига пули. Да и как учесть, если стреляют в разных направлениях? И как снайперы попадают в яблочко с расстояния в один километр (7 сантиметров смещения вбок!)? Да и я, стреляя из автомата по стоячей мишени, успешно целился прямо на неё.

И никакой реальной силы Кориолиса, производящей работу, в природе не существует .

Но для чего о ней так много говорят?

Просто данная сила считалась главным доказательством вращения Земли до выхода человека в космос .

Действием этой силы объяснялись разнообразные явления, не имеющие к нему никакого отношения:

1) В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в Северном полушарии более крутые — их подмывает вода под действием этой силы.

В самом деле? А на равнинах как-то и не заметно. Впрочем, есть реки, где сложно было бы не заметить: протекающие в ущельях между высокими скалами. Такие реки должны были за многие годы пропилить щель под одной из скал, медленно подрезая её.
Что-то такого русла реки я ни разу не видел. Вот извивается река между скал.
Какой берег более крутой?
Да, у некоторых рек наблюдается дисбаланс берегов. Но он объясняется геологическим строением местности: вода прижимается к гористой местности, так как она чуть сильнее продавливает под собой прилегающий участок литосферы.

2) Если бы рельсы были бы идеальными, то при движении железнодорожных составов с севера на юг и с юга на север, под воздействием силы Кориолиса один рельс изнашивался бы сильнее, чем второй. В северном полушарии больше изнашивается правый, а в южном левый.

Замечательное доказательство кочует по учебникам! Если бы у бабушки был пеннис, то она была бы дедушкой, а не бабушкой. Но, увы, рельсы не идеальные, а потому никто износа не наблюдал.
Впрочем, я тоже придумал пару причин такого гипотетического износа.
- Нетерпеливые пассажиры толпятся в проходе перед выходом, который всегда справа, потому рельсы и стесываются с одной стороны.
- Колесная штанга - прямая, а реакция опоры направлена к центру Земли, т.е. под углом при разнесении на ширину рельсов - вот это-то маленькое плечо и стесывает правый рельс, потому как отсчет ведется от левого, с которого "начинается" движение вокруг оси Земли.

3) При идеальных условиях сила Кориолиса определяет направление закручивания воды, например, при сливе в раковине. Однако идеальные условия трудно достижимы. Поэтому феномен «обратного закручивания воды при стоке» является скорее околонаучной шуткой.

И здесь всё просто: направление вращения определяется правилом буравчика. Вода в раковине течет вниз, поэтому и закручивается по часовой стрелке в любом полушарии.
Аналогичным образом объясняют и вращение воздуха в циклонах и антициклонах: это сила Кориолиса его закрутила.
Вот она - главная причина появления этой силы. Как иначе объяснить возникновение этих явлений? Что может заставить воздух крутиться?
Что заставляет (а это отнюдь не природное, но полностью контролируемое явление), мы рассмотрим позже. Сейчас нас более интересует движение этих циклонов/антициклонов, описываемое кориолисовой силой.
Как легко заметить по нашему примеру со снарядом, любой объект отклоняется против вращения Земли при движении от полюса и по вращению Земли при движении от экватора.

Вопрос 7. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции, понятие о принципе эквивалентности.

Системы отсчета, движущиеся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета, называются неинерциальными .

Сила инерции - это сила, используемая для описания движения при переходе в неинерциальных системах отсчета (то есть при движении с ускорением). Эта сила равна по величине силе, вызывающей ускорение, но направлена в сторону, противоположную ускорению. Именно поэтому в ускоряющемся транспорте сила инерции тянет пассажиров назад, а в тормозящем транспорте - наоборот, вперед.

Сила инерции - векторная величина, численно равная произведению массы m материальной точки на модуль её ускорения и направленная противоположно ускорению.

Существует 2 главные разновидности сил инерции: кориолисова сила и переносная сила инерции. Переносная сила инерции состоит из 3 слагаемых

M- поступательная сила инерции

m 2 r - центробежная сила инерции

M[r]- вращательная сила инерции

В динамике относительным движением называется движение по отношению к неинерциальной системе отсчёта, для которой законы механики Ньютона несправедливы. Чтобы уравнения относительного движения материальной точки сохранили тот же вид, что и в инерциальной системе отсчёта, надо к действующей на точку силе взаимодействия с другими телами F присоединить переносную силу инерции F пер = –m a пер и Кориолиса силу инерции F kop = –m a kop , где m - масса точки. Тогда

m a oтн = F + F пер + F kop

ma o тн = F –ma kop –ma пер

m a oтн = F+2 m [ V отн ]- mV 0 + m 2 r - m [r ]

F kop = –m a kop =2m[ V отн ]-кориолисова сила

F пер = –m a пер = -m
m 2 r - m [r ] - переносная сила инерции.

Примеры. Математический маятник, расположенный на движущейся с ускорением тележке. Маятник Любимова.

Центробежная сила инерции – сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тела (связи), стесняющие свободу её движения и вынуждающие её двигаться криволинейно. (или Сила, с которой связь действует на материальную точку, равномерно движущуюся по окружности, в системе отсчета, связанной с этой точкой.)

F ц.б.=
, R- радиус кривизны траектории.

Рис. К понятию центробежной силы инерции.

Центробежная сила направлена от центра кривизны траектории по её главной нормали (при движении по окружности по радиусу от центра окружности).

Центробежная сила - это тоже сила инерции - она направлена против центростремительной силы, вызывающей круговое движение.

Центробежная сила и центростремительная сила равны по величине, направлены противоположно.

Сила Кориолиса - одна из сил инерции, вводимая для учёта влияния вращения подвижной системы отсчёта на относительное движение тела.

При движении тела относительно вращающейся системы отсчета появляется сила инерции, называемая силой Кориолиса или кориолисовой силой инерции. Проявление силы Кориолиса можно рассмотреть на диске, вращающемся вокруг вертикальной оси (рис.1).

На диске нанесена радиальная прямая ОА и находится движущийся со скоростью V в направлении от О к А шарик. Если диск не вращается, шарик будет катиться вдоль прочерченной прямой. Если же диск привести в равномерное вращение с угловой скоростью , то шарик будет катиться по кривой ОВ, причем его скорость V относительно диска будет изменять свое направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него (перпендикулярно к его скорости) действовала какая-то сила, которая, однако, не вызвана взаимодействием шарика с каким-либо телом. Это - сила инерции, названная силой Кориолиса. Величина этой силы пропорциональна массе тела m, относительной скорости движения тела V и угловой скорости вращения системы w: Fк=2mVw.

Сила Кориолиса Fc лежит в плоскости диска: она перпендикулярна векторам V и и направлена в сторону, определяемую векторным произведением [V]:.

Сила Кориолиса как сила инерции направлена противоположно кориолисову ускорению a к:

Если векторы V и параллельны, то сила Кориолиса обращается в нуль.

Проявление действия силы Кориолиса:

Размытие правых берегов рек, текущих на юг в северном полушарии;

Движение маятника Фуко;

Наличие дополнительного бокового давления на рельсы, а, следовательно, их неравномерный износ, возникающих при движении поездов.

Сила Кориолиса проявляется, например, в работе маятника Фуко. Кроме того, поскольку Земля вращается, то сила Кориолиса проявляется и в глобальных масштабах. В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в северном полушарии более крутые - их подмывает вода под действием этой силы. В южном полушарии всё происходит наоборот. Сила Кориолиса ответственна также и за возникновение циклонов и антициклонов.

Принцип эквивалентности Эйнштейна.

Поле силы инерции эквивалентно однородному полю силы тяжести. Это утверждение представляет собой принцип эквивалентности Эйнштейна.

Принципом эквивалентности и формулируется так: сила тяжести по своему физическому действию не отличается от равной ей по величине силе инерции.

Из принципа Эйнштейна вытекает эквивалентность инертной и гравитационной масс в ограниченной области пространства. В ограниченной, поскольку поле гравитационных сил в общем случае не является однородным (сила взаимодействия уменьшается по мере удаления тел друг от друга).

И Франческо Мария Гримальди в 1651 году .

Энциклопедичный YouTube

1 / 5
Если в какой-либо инерциальной системе отсчёта материальная точка (МТ) равномерно движется вдоль радиуса, равномерно вращающегося вокруг перпендикулярной к нему оси, и её скорость направлена в сторону от центра вращения, то при этом вместе с увеличением расстояния от центра вращения возрастает и компонента скорости тела, направленная перпендикулярно радиусу. Значит, в данном случае компонента ускорения точки, перпендикулярная радиусу, отлична от нуля. Эта компонента ускорения МТ в инерциальной системе отсчёта и представляет собой ускорение Кориолиса .
При рассмотрении того же самого движения в неинерциальной системе отсчёта , вращающейся вместе с радиусом, наблюдаемая картина будет другой. Действительно, в этой системе отсчёта скорость МТ не изменяется и, соответственно, компонента её ускорения, перпендикулярная радиусу, равна нулю. Значит, движение выглядит так, как будто во вращающейся системе отсчёта на МТ действует дополнительная сила, направленная противоположно ускорению Кориолиса и компенсирующая его. Эта дополнительная «сила», вводимая для удобства описания движения, но в действительности отсутствующая, и есть сила Кориолиса . Понятно, что данная «сила» позволяет учесть влияние вращения подвижной системы отсчёта на относительное движение МТ, но при этом никакому реальному взаимодействию МТ с другими телами не соответствует.
Более строго - ускорение Кориолиса есть удвоенное векторное произведение вектора угловой скорости вращения системы координат на вектор скорости движения МТ относительно вращающейся системы координат . Соответственно, сила Кориолиса равна произведению массы МТ на её ускорение Кориолиса, взятому со знаком минус .

Определение

Пусть имеются две системы отсчёта, одна из которых (S) {\displaystyle (S)} инерциальная, а другая (S ′) {\displaystyle \left(S\,"\right)} движется относительно первой произвольным образом и в общем случае является неинерциальной. Будем также рассматривать движение произвольной материальной точки массы m {\displaystyle m} . Её ускорение по отношению к первой системе отсчёта обозначим , а по отношению ко второй - .
Связь между ускорениями a → a {\displaystyle {\vec {a}}_{a}} и a → r {\displaystyle {\vec {a}}_{r}} следует из теоремы Кориолиса (см. ниже):
a → a = a → r + a → e + a → K , {\displaystyle {\vec {a}}_{a}={\vec {a}}_{r}+{\vec {a}}_{e}+{\vec {a}}_{K},}
где a → e {\displaystyle {\vec {a}}_{e}} - перено́сное ускорение, а a → K {\displaystyle {\vec {a}}_{K}} - ускорение Кориолиса (кориолисово ускорение, поворотное ускорение). Напомним, что переносным ускорением называют ускорение той точки системы S ′ {\displaystyle S\,"} относительно системы S {\displaystyle S} , в которой в данный момент находится рассматриваемая материальная точка .
После умножения на массу точки и учёта второго закона Ньютона m a → a = F → {\displaystyle m{\vec {a}}_{a}={\vec {F}}} , данное соотношение можно представить в виде
m a → r = F → + (− m a → e) + (− m a → K) . {\displaystyle m{\vec {a}}_{r}={\vec {F}}+(-m{\vec {a}}_{e})+(-m{\vec {a}}_{K}).}
Величину (− m a → e) {\displaystyle (-m{\vec {a}}_{e})} называют переносной силой инерции , а величину (− m a → K) {\displaystyle (-m{\vec {a}}_{K})} - силой Кориолиса (кориолисовой силой). Обозначив их F → e {\displaystyle {\vec {F}}_{e}} и F → K {\displaystyle {\vec {F}}_{K}} соответственно, можно записать
m a → r = F → + F → e + F → K . {\displaystyle m{\vec {a}}_{r}={\vec {F}}+{\vec {F}}_{e}+{\vec {F}}_{K}.}
Полученное выражение выражает основной закон динамики для неинерциальных систем отсчёта.
Из кинематики известно, что
a → K = 2 [ ω → × v → r ] , {\displaystyle {\vec {a}}_{K}=2\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {v}}_{r}\right],}
где ω → {\displaystyle {\vec {\omega }}} - угловая скорость вращения неинерциальной системы отсчёта S ′ {\displaystyle S\,"} , - скорость движения рассматриваемой материальной точки в этой системе отсчёта; квадратными скобками обозначена операция векторного произведения . С учётом этого для силы Кориолиса выполняется
F → K = − 2 m [ ω → × v → r ] . {\displaystyle {\vec {F}}_{K}=-2\,m\,\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {v}}_{r}\right].}
Замечания

Теорема Кориолиса

Заметим, что в частном случае вращательного движения инерциальной системы отсчета относительно начала координат для того, чтобы точка относительно неинерциальной системы отсчёта двигалась прямолинейно по радиусу к оси вращения (см. рис.), необходимо приложить к ней силу, которая будет противодействующей суммы силы Кориолиса − 2 m [ ω → × v → r ] {\displaystyle -2m\left[{\vec {\omega }}\times {\vec {v}}_{r}\right]} , переносной вращательной силы − m [ ε → × R → ] {\displaystyle -m\left[{\vec {\varepsilon }}\times {\vec {R}}\right]} и переносной силы инерции поступательного движения системы отсчёта − m a → 0 {\displaystyle -m{\vec {a}}_{0}} . Составляющая же ускорения [ ω → × [ ω → × R → ] ] {\displaystyle \left[{\vec {\omega }}\times \left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]\right]} не отклонит тело от этой прямой, так как является осестремительным переносным ускорением и всегда направлена по этой прямой. Действительно, если рассматривать уравнение такого движения, то после компенсации в нём вышеупомянутых сил получится уравнение [ ω → × [ ω → × R → ] ] + a → r = 0 {\displaystyle \left[{\vec {\omega }}\times \left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]\right]+{\vec {a}}_{r}=0} , которое если умножить векторно на , то с учетом [ R → × [ ω → × [ ω → × R → ] ] ] = 0 {\displaystyle \left[{\vec {R}}\times \left[{\vec {\omega }}\times \left[{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right]\right]\right]=0} получим относительно v → r {\displaystyle {\vec {v}}_{r}} дифференциальное уравнение [ R → × d r v → r d t ] ≡ 0 {\displaystyle \left[{\vec {R}}\times {\frac {{\stackrel {~}{d_{r}}}{\vec {v}}_{r}}{dt}}\right]\equiv 0} , имеющее при любых R → {\displaystyle {\vec {R}}} и v → r {\displaystyle {\vec {v}}_{r}} общим решением [ R → × v → r ] = C o n s t → {\displaystyle \left[{\vec {R}}\times {\vec {v}}_{r}\right]={\vec {Const}}} , которое и является уравнением такой прямой - [ R → × v → r ] = 0 → {\displaystyle \left[{\vec {R}}\times {\vec {v}}_{r}\right]={\vec {0}}} .

Обсуждение

Правило Жуковского

Сила Кориолиса не инвариантна относительно перехода из одной системы отсчёта в другую. Она не подчиняется закону действия и противодействия . Движение тела под действием силы Кориолиса аналогично движению во внешнем силовом поле. Сила Кориолиса всегда является внешней по отношению к любому движению системы материальных тел.

Сила Кориолиса и закон сохранения момента импульса

Если вращающаяся лаборатория, принимаемая за неинерциальную систему отсчёта, имеет конечный момент инерции , то в соответствии с законом сохранения момента импульса при движении тела по радиусу, перпендикулярному оси вращения, угловая скорость вращения будет увеличиваться (при движении тела к центру) или уменьшаться (при движении тела от центра). Рассмотрим эту ситуацию с точки зрения неинерциальной системы.
Хорошим примером может быть человек, который перемещается в радиальном направлении по вращающейся карусели (например, держась за ведущий к центру поручень). При этом с точки зрения человека он при движении к центру будет совершать работу против центробежной силы (эта работа пойдёт на увеличение энергии вращения карусели). На него также будет действовать сила Кориолиса, которая стремится отклонить его движение от радиального направления («сносит» его вбок), и противодействуя сносу (прилагая поперечное усилие к поручню), он будет раскручивать карусель.
При движении от центра центробежная сила будет совершать работу над человеком (за счёт уменьшения энергии вращения), а противодействие силе Кориолиса будет тормозить карусель.

Сила Кориолиса в природе и технике

Сила Кориолиса, вызванная вращением Земли, может быть замечена при наблюдении за движением маятника Фуко .
На одноколейных железных дорогах поезда обычно ходят в обоих направлениях, поэтому последствия действия силы Кориолиса оказываются одинаковыми для обоих рельс. Иначе обстоят дела на двухколейных дорогах. На таких дорогах по каждой колее поезда движутся только в одном направлении, вследствие чего действие силы Кориолиса приводит к тому, что правые по ходу движения рельсы изнашиваются сильнее, чем левые. Очевидно, что в

Сила Кориолиса
Своеобразие мира вращающихся систем не исчерпывается существованием радиальных сил тяжести. Познакомимся с еще одним интересным эффектом, теория которого была дана в 1835 году французом Кориолисом.
Поставим перед собой такой вопрос: как выглядит прямолинейное движение с точки зрения вращающейся лаборатории? План такой лаборатории изображен на рис. 26. Чертой, проходящей через центр, показана прямолинейная траектория какого-то тела. Мы рассматриваем тот случай, когда путь тела проходит через центр вращения нашей лаборатории. Диск, на котором размещена лаборатория, вращается равномерно; на рисунке показаны пять положений лаборатории по отношению к прямолинейной траектории. Так выглядит взаимное положение лаборатории и траектории тела через одну, две, три и т.д. секунды. Лаборатория, как вы видите, вращается против часовой стрелки, если смотреть на нее сверху.
На линии пути нанесены стрелки, соответствующие отрезкам, которые тело проходит за одну, две, три и т.д. секунды. За каждую секунду тело проходит одинаковый путь, так как речь идет о равномерном и прямолинейном движении (с точки зрения неподвижного наблюдателя).
Представьте себе, что движущееся тело – это свежевыкрашенный катящийся по диску шар. Какой след останется на диске? Наше построение дает ответ на этот вопрос. Отмеченные окончаниями стрелок точки с пяти рисунков перенесены на один чертеж. Остается соединить эти точки плавной кривой. Результат построения нас не удивит: прямолинейное и равномерное движение выглядит с точки зрения вращающегося наблюдателя криволинейным. Обращает на себя внимание такое правило: движущееся тело отклоняется на всем пути вправо по ходу движения. Предположим, что диск вращается по часовой стрелке, и предоставим читателю повторить построение. Оно покажет, что в этом случае движущееся тело с точки зрения вращающегося наблюдателя отклоняется влево по ходу движения.
Мы знаем, что во вращающихся системах появляется центробежная сила. Однако ее действие не может служить причиной искривления пути – ведь она направлена вдоль радиуса. Значит, во вращающихся системах кроме центробежной силы возникает еще дополнительная сила. Ее называют силой Кориолиса.

Почему же в предшествующих примерах мы не сталкивались с силой Кориолиса и превосходно обходились одной центробежной? Причина в том, что мы до сих пор не рассматривали движение тел с точки зрения вращающегося наблюдателя. А сила Кориолиса появляется только в этом случае. На тела, которые покоятся во вращающейся системе, действует лишь центробежная сила. Стол вращающейся лаборатории привинчен к полу – на него действует одна центробежная сила. А на мячик, который упал со стола и покатился по полу вращающейся лаборатории, кроме центробежной силы действует и сила Кориолиса.
От каких величин зависит значение силы Кориолиса? Его можно вычислить, но расчеты слишком сложны для того, чтобы приводить их здесь. Опишем поэтому лишь результат вычислений.
В отличие от центробежной силы, значение которой зависит от расстояния до оси вращения, сила Кориолиса не зависит от положения тела. Ее величина определяется скоростью движения тела, и при этом не только величиной скорости, но и ее направлением по отношению к оси вращения. Если тело движется вдоль оси вращения, то сила Кориолиса равна нулю. Чем больше угол между вектором скорости и осью вращения, тем больше сила Кориолиса; максимальное значение сила приме?т при движении тела под прямым углом к оси.
Как мы знаем, вектор скорости всегда можно разложить на какие-либо составляющие и рассмотреть раздельно два возникающих движения, в которых одновременно участвует тело.
Если разложить скорость тела на составляющие
– параллельную и перпендикулярную к оси вращения, то первое движение не будет подвержено действию силы Кориолиса. Значение силы Кориолиса F k определится составляющей скорости
Расчеты приводят к формуле
Здесь m – масса тела, а n – число оборотов, совершаемых вращающейся системой за единицу времени. Как видно из формулы, сила Кориолиса тем больше, чем быстрее вращается система и чем быстрее движется тело.
Расчеты устанавливают и направление силы Кориолиса. Эта сила всегда перпендикулярна к оси вращения и к направлению движения. При этом, как уже говорилось выше, сила направлена вправо по ходу движения в системе, вращающейся против часовой стрелки.
Действием силы Кориолиса объясняются многие интересные явления, происходящие на Земле. Земля – шар, а не диск. Поэтому проявления сил Кориолиса сложнее.
Эти силы будут сказываться как на движении вдоль земной поверхности, так и при падении тел на Землю.
Падает ли тело строго по вертикали? Не вполне. Только на полюсе тело падает строго по вертикали. Направление движения и ось вращения Земли совпадают, поэтому сила Кориолиса отсутствует. Иначе обстоит дело на экваторе; здесь направление движения составляет прямой угол с земной осью. Если смотреть со стороны северного полюса, то вращение Земли представится нам против часовой стрелки. Значит, свободно падающее тело должно отклониться вправо по ходу движения, т.е. на восток. Величина восточного отклонения, наибольшая на экваторе, уменьшается до нуля с приближением к полюсам.
Подсчитаем величину отклонения на экваторе. Так как свободно падающее тело движется равномерно-ускоренно, то сила Кориолиса растет по мере приближения к земле. Поэтому мы ограничимся примерным подсчетом. Если тело падает с высоты, скажем, 80 м, то падение продолжается около 4 с (по формуле t = sqrt(2h /g )). Средняя скорость при падении будет равна 20 м/с.
Это значение скорости мы и подставим в формулу кориолисова ускорения 4?nv . Значение n = 1 оборот за 24 часа переведем в число оборотов в секунду. В 24 часах содержится 24·3600 секунд, значит, n равно 1/86400 об/с и, следовательно, ускорение, которое создает сила Кориолиса, равно?/1080 м/с 2 . Путь, пройденный с таким ускорением за 4 с, равен (1/2)·(?/1080)·4 2 = 2,3 см. Это и есть величина восточного отклонения для нашего примера. Точный расчет, учитывающий неравномерность падения, дает несколько иную цифру – 3,1 см.
Если отклонение тела при свободном падении максимально на экваторе и равно нулю на полюсах, то обратную картину мы будем наблюдать в случае отклонения под действием кориолисовой силы тела, движущегося в горизонтальной плоскости.
Горизонтальная площадка на северном или южном полюсах ничем не отличается от вращающегося диска, с которого мы начали изучение силы Кориолиса. Тело, движущееся по такой площадке, будет отклоняться силой Кориолиса вправо по ходу движения на северном полюсе и влево по ходу движения на южном. Читатель без труда подсчитает, пользуясь той же формулой кориолисова ускорения, что пуля, выпущенная из ружья с начальной скоростью 500 м/с, отклонится от цели в горизонтальной плоскости за одну секунду (т.е. на пути 500 м) на отрезок, равный 3,5 см.
Но почему же отклонение в горизонтальной плоскости на экваторе должно равняться нулю? Без строгих доказательств понятно, что так должно быть. На северном полюсе тело отклоняется вправо по движению, на южном – влево, значит, посередине между полюсами, т.е. на экваторе, отклонение будет равно нулю.
Вспомним опыт с маятником Фуко. Маятник, колеблющийся на полюсе, сохраняет плоскость своих колебаний. Земля, вращаясь, уходит из-под маятника. Такое объяснение дает опыту Фуко звездный наблюдатель. А наблюдатель, вращающийся вместе с земным шаром, объяснит этот опыт силой Кориолиса. Действительно, сила Кориолиса направлена перпендикулярно к земной оси и перпендикулярно к направлению движения маятника; иначе говоря, сила перпендикулярна к плоскости колебания маятника и будет эту плоскость непрерывно поворачивать. Можно сделать так, чтобы конец маятника вычерчивал траекторию движения. Траектория представляет собой «розетку», показанную на рис. 27. На этом рисунке за полтора периода колебания маятника «Земля» поворачивается на четверть оборота. Маятник Фуко поворачивается много медленнее. На полюсе плоскость колебания маятника за одну минуту повернется на 1/4 градуса. На северном полюсе плоскость будет поворачиваться вправо по ходу маятника, на южном – влево.
На широтах центральной Европы эффект Кориолиса будет несколько меньше, чем на экваторе. Пуля в примере, который мы только что привели, отклонится не на 3,5 см, а на 2,5 см. Маятник Фуко повернется за одну минуту примерно на 1/6 долю градуса.
Должны ли учитывать силу Кориолиса артиллеристы? Пушка Берта, из которой немцы вели обстрел Парижа во время первой мировой войны, находилась в 110 км от цели. Отклонение Кориолиса достигает в этом случае 1600 м. Это уже не маленькая величина.
Если летающий снаряд будет отправлен на большое расстояние без учета силы Кориолиса, то он значительно отклонится от курса. Этот эффект велик не потому, что велика сила (для снаряда в 10 т, имеющего скорость 1000 км/ч, сила Кориолиса будет около 25 кГ), а потому, что сила действует непрерывно длительное время.
Конечно, влияние ветра на неуправляемый снаряд может быть не менее значительным. Поправка к курсу, которая дается пилотом, обусловлена действием ветра, эффектом Кориолиса и несовершенством самолета или самолета-снаряда.
Какие специалисты, кроме авиаторов и артиллеристов, должны принять эффект Кориолиса во внимание? К ним относятся, как ни странно, и железнодорожники. На железной дороге один рельс под действием кориолисовой силы истирается изнутри заметно больше другого. Нам ясно, какой именно: в северном полушарии это будет правый рельс (по ходу движения), в южном – левый. Лишены хлопот по этому поводу лишь железнодорожники экваториальных стран.
Размытие правых берегов в северном полушарии объясняется точно так же, как и истирание рельсов.
Отклонения русла во многом связаны с действием силы Кориолиса. Оказывается, реки северного полушария обходят препятствия с правой стороны.
Известно, что в район пониженного давления направляются потоки воздуха. Но почему такой ветер называется циклоном? Ведь корень этого слова указывает на круговое (циклическое) движение.
Так оно и есть – в районе пониженного давления возникает круговое движение воздушных масс (рис. 28). Причина заключается в действии силы Кориолиса. В северном полушарии все устремляющиеся к месту пониженного давления воздушные потоки отклоняются вправо по своему движению. Посмотрите на рис. 29 – вы видите, что это приводит к отклонению дующих в обоих полушариях от тропиков к экватору ветров (пассатов) к западу.
Почему же такая небольшая сила играет такую большую роль в движении воздушных масс?
Это объясняется незначительностью сил трения. Воздух легко подвижен, и малая, но постоянно действующая сила приводит к важным следствиям.
Из книги Физика: Парадоксальная механика в вопросах и ответах автора Гулиа Нурбей Владимирович
4. Движение и сила

Из книги Новейшая книга фактов. Том 3 [Физика, химия и техника. История и археология. Разное] автора Кондрашов Анатолий Павлович
Из книги Возвращение чародея автора Келер Владимир Романович
Великая сила «пустяков» У Леночки Казаковой может оторваться пуговица от платья, но она от этого не перестанет быть Леночкой Казаковой. Законы науки, особенно законы физики, не допускают ни малейшего неряшества. Воспользовавшись аналогией, можно сказать, что законы

Из книги Межпланетные путешествия [Полёты в мировое пространство и достижение небесных тел] автора Перельман Яков Исидорович
Самая загадочная сила природы Не говорю уже о том, как мало у нас надежды найти когда-нибудь вещество, непроницаемое для тяготения. Причина тяготения нам неизвестна: со времен Ньютона, открывшего эту силу, мы ни на шаг не приблизились к познанию ее внутренней сущности. Без

Из книги Физика на каждом шагу автора Перельман Яков Исидорович
Лошадиная сила и работа лошади Мы часто слышим выражение «лошадиная сила» и привыкли к нему. Поэтому мало кто отдает себе отчет в том, что это старинное наименование совершенно неправильно. «Лошадиная сила» – не сила, а мощность и притом даже не лошадиная. Мощность – это

Из книги Движение. Теплота автора Китайгородский Александр Исаакович
Сила звука Как ослабевает звук с расстоянием? Физик ответит вам, что звук ослабевает «обратно пропорционально квадрату расстояния». Это означает следующее: чтобы звук колокольчика на тройном расстоянии был слышен так же громко, как на одинарном, нужно одновременно

Из книги Для юных физиков [Опыты и развлечения] автора Перельман Яков Исидорович
Сила – вектор Сила, так же как и скорость, есть векторная величина. Ведь она всегда действует в определенном направлении. Значит, и силы должны складываться по тем правилам, которые мы только что обсуждали.Мы часто наблюдаем в жизни примеры, иллюстрирующие векторное

Из книги Кто изобрел современную физику? От маятника Галилея до квантовой гравитации автора Горелик Геннадий Ефимович
Ускорение и сила Если на тело силы не действуют, то оно может двигаться только без ускорения. Напротив, действие на тело силы приводит к ускорению, и при этом ускорение тела будет тем большим, чем больше сила. Чем скорее мы хотим привести в движение тележку с грузом, тем

Из книги Как понять сложные законы физики. 100 простых и увлекательных опытов для детей и их родителей автора Дмитриев Александр Станиславович
Сила и потенциальная энергия при колебании При всяком колебании около положения равновесия на тело действует сила, «желающая» возвратить тело в положение равновесия. Когда точка удаляется от положения равновесия, сила замедляет движение, когда точка приближается к

Из книги Гиперпространство автора Каку Мичио
2. Центробежная сила Раскройте зонтик, уприте его концом в пол, закружите и бросьте внутрь мячик, скомканную бумагу, носовой платок – вообще какой-нибудь легкий и неломкий предмет. Вы убедитесь, что зонтик словно не желает принять подарка: мяч или бумажный ком сами

Из книги автора
Из книги автора
Глава 3 Гравитация - первая фундаментальная сила С небес на землю и обратно В современной физике говорят о четырех фундаментальных силах. Первой открыли силу гравитации. Известный школьникам закон всемирного тяготения определяет силу притяжения F между любыми массами

Из книги автора
73 Сила в сантиметрах, или Наглядно закон Гука Для опыта нам потребуются: воздушный шарик, фломастер. В школе проходят закон Гука. Жил такой знаменитый ученый, который изучал сжимаемость предметов и веществ и вывел свой закон. Закон этот очень простой: чем сильнее мы

Из книги автора
Сила = геометрия Несмотря на постоянные болезни, Риман в конечном счете изменил бытующие представления о значении силы. Еще со времен Ньютона ученые считали силу мгновенным взаимодействием удаленных друг от друга тел. Физики называли ее «дальнодействием», это означало,

При движении тела относительно вращающейся системы отсчета, кроме центробежной силы инерции, появляется еще одна сила, называемая силой Кориолиса или кориолисовой силой инерции.
Появление вориолисовой силы можно обнаружить на следующем примере. Возьмем Горизонтально расположенный диск, который может вращаться вокруг вертикальной оси. Прочертим на диске радиальную прямую ОА (рис. 34.1, а). Запустим в направлении от шарик со скоростью V. Если диск не вращается, шарик будет катиться вдоль прочерченной нами прямой. Если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик будет катиться но изображенной пунктиром кривой ОВ, причем его скорость относительно диска v будет изменять свое направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него действовала сила , перпендикулярная к скорости
Чтобы заставить шарик катиться по вращающемуся диску Вдоль радиальной прямой; нужно сделать направляющую, например, в виде ребра ОА (рис. 34.1, б). При качении шарика направляющее ребро действует на него с некоторой силой Относительно вращающейся системы (диска) шарик движется с постоянной по направлению скоростью. Это можно формально объяснить тем, что сила уравновешивается приложенной к шарику силой инерции перпендикулярной к скорости V. Сила и есть корволиеова сила инерции.

Найдем сначала выражение силы Кориолиса для частного случая, когда частица движется относительно вращающейся системы отсчета равномерно по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, с центром, находящимся на этой оси (рис. 34.2). Скорость частицы относительно вращающейся системы обозначим v. Скорость частицы относительно неподвижной (инерциальной) системы отсчета v равна по величине в случае (в) и в случае (б) , где - угловая скорость вращающейся системы, R - радиус окружностй (см. (5.7)).
Для того чтобы частица двигалась относительно неподвижной системы по окружности со скоростью на нее должна действовать направленная к центру окружности сила , например, сила натяжения нити, которой частица привязана к центру окружности (см. рис. 34.2, а). Величина этой силы равна
Относительно вращающейся системы частица в этом случае движется с ускорением т. е. так, как если бы на нее действовала сила
(см. (34.1)). Таким образом, во вращающейся системе частица ведет себя так, как если бы на нее, кроме направленной к центру окружности силы F, действовали еще две направленные от центра силы: и сила модуль которой равен (рис. 34.2, а). Легко сообразить, чтосклу можно представить в виде
Сила (34.3) и есть кориолисова сила инерции. При эта сила отсутствует. Сила не зависит - она, как мы уже отмечали, действует как на покоящиеся, так и на движущиеся тела.
В случае, изображенном на рис. 34.2, б,

Соответственно
Следовательно, во вращающейся системе частица ведет себя так, как если бы на нее действовали две направленные к центру окружности силы: F и а также направленная от центра сила (см. рис. 34.2, б). Сила и в этом случае может быть представлена в виде (34.3).
Теперь перейдем к нахождению выражения силы Кориолиса для случая, когда частица движется относительно вращающейся системы отсчета произвольным образом. Свяжег с вращающейся системой координатные оси причем ось совместим с осью вращения (рис. 34.3). Тогда радиус-вектор частицы можно представить в виде
где - орты координатных осей. Орты и вращаются вместе с системой отсчета с угловой скоростью , орт остается неподвижным.
Положение частицы относительно неподвижной системы следует определять с помощью радиуса-вектора . Однако символы обозначают один и тот же вектор, проведенный из начала координат к частице. Символом обозначил этот вектор наблюдатель, «живущий» во вращающейся системе отсчета; по его наблюдениям орты неподвижны, поэтому при дифференцировании выражения (34.4) он обращается с этими ортами как с константами. Символом пользуется неподвижный наблюдатель; для него орты и вращаются со скоростью со (орт неподвижен). Поэтому при дифференцировании равного выражения (34.4) неподвижный наблюдатель должен обращаться с как с функциями t, производные которых равны:
(см. рис. 34.3 и формулу (2.56); орт перпендикулярный к равен орт перпендикулярный к равен . Для вторых производных ортов по времени получаются выражения:
Найдем скорость частицы относительно вращающейся системы отсчета. Для этого продифференцируем радиус-вектор (34.4) по времени, считая орты константами:

Повторное дифференцирование этого выражения даст ускорение частаты относительно вращающейся системы отсчета:
Теперь найдем скорость частицы относительно неподвижной системы отсчета. Для этого продифференцируем радиус-вектор (34.4) «с позиций» неподвижного наблюдателя. Воспользовавшись обозначением вместо (Напомним, что ), получше:
Продифференцировавать это выражение еще раз по t, найдем ускорение частицы относительно неподвижней системы:
Приняв во внимание формулы (34.5), (34.б) и (34.8), полученное соотношение можно преобразовать к виду:
Рассмотрим векторное произведение Представим ею в виде определителя (см. (2.33)):
(34.11)
Согласно кроме того, при выбранном нами направлении координатных осей Подстановка этих значений в (34.11) дает
(34.12)
Полученный результат показывает, что второй член формулы: (34.10) можно записать в виде Выражение, стоящее в скобках в последнем члене формулы (34.10), равно перпендикулярной к оси вращёння (к оси ) составляющей радиуса-вектора (см. (34.4)). Обозначим эту составляющую символом R (ср. с рис. 5.5). С учетом всего сказанного соотношение (34.10) можно зависать следующим образом:

Из (34.13) вытекает, что ускорение частицы относительно ненедвижной системы отсчета можно представить в виде суммы трех ускорений: ускорения относительно вращающейся системы , ускорения, равного и ускорения
которое называется кориолисовым ускорением.
Для того чтобы частица двигалась с ускорением (34.13), На нее должны действовать какие-то тела с результирующей силой . Согласно (34.13)
(перестановка сомножителей изменяет знак векторного произведения). Полученный результат означает, что при составлении уравнения второго закона Ньюгона во вращающейся системе отсчета, кроме сил взаимодействия, нужно учитывать центробежную силу инерции. определяемую формулой (33.2), а также «эриолисову силу, которая и в самом общем случае определяется формулой (34.3).
Отметим, что сила Кориолиса всегда лежит в плоскости, перпендикулярной к оси вращения.
Из сопоставления формул (34.9), (34.7) и (34.5) вытекает, что
С помощью выкладок, аналогичных тем, которые привели нас к соотношению (34.13), можно убедиться в том, что последний член полученного выражения равен . Следовательно,
(34.16)
При эта формула переходит в (5.8).

Примеры движения, в которых проявляется корнолисова сила инерции. При истолковании явлений, связанных с движением тел относительно земной поверхности, в ряде случаев необходимо учитывать влияние кориолисовых сил. Например, при свободном падении тел на них действует корнолисова сила, обусловливающая отклонение к востоку от линии отвеса (рис. 34.4). Эта сила максимальна на экваторе и обращается в нуль на полюсах.
Летящий снаряд также испытывает отклонения, обусловленные кориолисовыми силам инерции (рис. 34.5). При выстреле из орудия, направленного на север, снаряд будет отклоняться к востоку в северном полушарий и к западу - в южном. При стрельбе вдоль меридиана на юг направления отклонения будут противоположными. При стрельбе вдоль экватора силы Кориолиса будут прижимать снаряд к Земле, если выстрел произведен в направлении на запад, и поднимать его кверху, если выстрел произведен в восточном направлении. Предоставь ляем читателю самому убедиться в том, что сила Кориолиса, действующая на тело, движущееся вдоль меридиана в любом Направлении (на север или на юг), направлена по отношению к. направлению движения, вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Это приводит к тому, что у рек подмывается всегда правый берег в северном полушарии и левый берег в южном полушарии. Эти же причины объясняют неодинаковый износ рельсов При двухколейном движении.
Силы Кориолиса проявляются и при качаниях маятника. На рис. 34.6 показана траектория груза маятника (для простоты предположено, что маятник находится на полюсе). На северном полюсе сила Кориолиса будет все время направлена вправо по ходу маятника, на южном полюсе - влево. В итоге траектория имеет вид розетки.
Как следует из рисунка, плоскость качаний маятника поворачивается относительно Земли в направлении насовой стрелки, причем за сутки она совершает один оборот. Относительно гелиоцентрической системы отсчета дело обстоит так, что плоскость качаний остается неизменной, а Земля поворачивается относительно нее, делая за сутки один оборот. Можно показать, что на широте плоскость качаний маятника Поворачивается за сутки на угол .
Таким образом, наблюдения за вращением плоскости качаний Маятника (маятники, предназначенные для этой цели, называются маятниками Фуко) дают непосредственное доказательство вращения Земли вокруг своей оси.