Ускорение и сила Кориолиса – что это? "Сила" Кориолиса в Природе и технике - фейк? или Направление вихревых спиралей Благодаря силе кориолиса
Друзья мои, а вы никогда не задумывались, почему в северном полушарии Земли у рек, текущих без резких изгибов в довольно мягких породах, правый берег почти всегда довольно крутой, а левый - гораздо положе? Или почему Гольфстрим течет на север вдоль побережья Европы, а не Северной Америки? Или почему по Земле постоянно гуляют циклоны и антициклоны?
Для того чтобы ответить на все эти вопросы приготовьте правую руку и держите растопыренными большой, указательный и средний пальцы. С их помощью и разберемся.
Как мы понимаем, на любое покоящееся на Земле тело действует весьма приличная сила тяжести и маленькая центробежная сила, возникающая от вращения Земли вокруг своей оси. Их геометрическая сумма (по правилу параллелограмма) точно перпендикулярна поверхности Земли (точнее - покоящейся воды). Это абсолютно верно, но только для покоящихся тел.
А вот на движущиеся
по Земле тела действует еще одна сила. Называемая Кориолисовой.
Если бы Земля не вращалась вокруг своей оси, то и Кориолисовой и центробежной сил просто бы не было. Кориолисова сила в нашей обыденной жизни существенно меньше центробежной. И направлена она поперек траектории движения тела и поперек оси вращения Земли. Именно поэтому нам и понадобятся три пальца правой руки. Большой палец надо направить в направлении движения тела, а указательный - вдоль оси вращения Земли от южного полюса к северному. Тогда направление Кориолисовой силы будет указывать средний палец правой руки.
Замечу также, что сила Кориолиса пропорциональна скорости движущегося тела. И буду считать, что движущееся тело - это вода горячо любимой нами Волги. Если бы Волга была стоячим водоемом, то ее поверхность была бы точно перпендикулярна суммарной (тяжести и центробежной) силе. Но Волга течет с севера на юг (большой палец). Направив указательный палец вдоль оси вращения Земли мы увидим, что средний палец (сила Кориолиса) направлен на правый берег Волги. Отсюда ясно, что сила Кориолиса прижимает воду Волги к правому ее берегу. Насколько?
Не буду утомлять вас формулами и расчетами. Предположим только, что скорость течения Волги = 1 м/сек, а ее ширина = 1 км. Тогда простая оценка показывает, что у правого берега Волги уровень воды должен быть примерно на 1 (один) сантиметр выше, чем у левого. А если бы скорость течения была = 2 м/сек, то и уровень воды у правого берега был бы выше на 2 см, чем у левого.
И поскольку берега Волги сложены в основном из мягких пород, течение подтачивает именно правый берег. Из-за чего он становится круче. А русло Волги чрезвычайно медленно смещается на запад.
Живущие на берегах текущих на север рек могут точно так же понять, почему и у этих рек правые берега, как правило, круче левых. Разумеется, если берега рек сформированы из достаточно твердых (каменных) пород, то рассуждения о крутизне берегов теряют силу. Просто потому, что не все подвластно текущей воде.
Если теперь мы посмотрим на Гольфстрим, текущий с юга на север, то европейский берег будет для него правым, а североамериканский левым. Поэтому Гольфстрим и прижимается к Европе той самой Кориолисовой силой. Возможно, именно поэтому не следует слишком доверчиво воспринимать апокалиптические прогнозы об исчезновении Гольфстрима и замерзании Европы.
Что же касается циклонов и антициклонов, то это - предмет для отдельного поста.
Представьте, что кто-то, находясь на Северном полюсе, бросил мяч кому-то, кто находится на экваторе. Пока мяч летел, Земля немного повернулась вокруг своей оси, и ловящий успел сместиться к востоку. Если бросающий, целясь мячом, не учел этого движения Земли, мяч упал западнее (или левее) ловящего. С точки зрения человека на экваторе получается, что мяч летел левее, чем надо, с самого начала - как только его выпустил из рук бросающий, - и до тех пор, пока не приземлился.
Согласно законам механики Ньютона, чтобы движущееся прямолинейно тело отклонилось от изначально заданной траектории, на него должна действовать какая-то внешняя сила. Значит, ловящий на экваторе должен сделать вывод, что брошенный мяч отклонился от прямолинейной траектории под действием некоей силы. Если бы мы смогли посмотреть на летящий мяч из космоса, мы бы увидели, что на самом деле никакая сила на мяч не действовала. Отклонение же траектории было вызвано тем, что Земля успела повернуться под мячом, пока он летел по прямой. Таким образом, действует в подобной ситуации какая-то сила или нет, - это целиком зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель.
И подобное явление неизбежно возникает, когда есть какая-нибудь вращающаяся система координат - например, Земля. Для описания этого явления физики часто используют выражение фиктивная сила, имея в виду, что сила «реально» отсутствует, просто наблюдателю во вращающейся системе отсчета кажется, что она действует (другой пример фиктивной силы - это центробежная сила). И противоречий здесь нет никаких, поскольку оба наблюдателя единодушны относительно реальной траектории полета мяча и уравнений, ее описывающих. Расходятся они лишь в терминах, которые они используют для описания этого движение.
Фиктивная сила, которая действует в приведенном выше примере, называется силой Кориолиса - в честь французского физика Гаспара Кориолиса, впервые описавшего этот эффект.
Интересно, что именно сила Кориолиса определяет направление вращения вихрей циклонов, которые мы наблюдаем на снимках, полученных с метеоспутников. Изначально воздушные массы начинают прямолинейно устремляться из областей высокого атмосферного давления в области пониженного атмосферного давления, однако сила Кориолиса заставляет их закручиваться по спирали. (С тем же успехом можно утверждать, что воздушные потоки продолжают двигаться прямолинейно, но, поскольку Земля под ними поворачивается, нам, находящимся на поверхности планеты, кажется, что они движутся по спирали.) Вернемся к примеру с бросанием мяча с полюса к экватору. Нетрудно понять, что в Северном и Южном полушариях сила Кориолиса действует на движущееся тело в прямо противоположных направлениях. Именно поэтому в Северном полушарии вихри циклонов кажутся закрученными против часовой стрелки, а в Южном - по часовой стрелке.
Отсюда происходит бытующее в народе убеждение, что вода в канализационных отверстиях ванн и раковин в двух полушариях вращается в противоположных направлениях, - якобы это обусловлено эффектом Кориолиса. (Помню, когда я сам был студентом, мы всей группой, включая одного аргентинца, не один час провели в мужском туалете физического факультета Стэнфордского университета, наблюдая за потоками воды в раковине, в надежде подтвердить или опровергнуть эту гипотезу.) На самом же деле, хотя и верно, что сила Кориолиса действует противоположно в двух полушариях, направление закручивания воды в сливной воронке лишь отчасти определяется этим эффектом. Дело в том, что вода долгое время течет по водопроводным трубам, при этом в потоке воды образуются течения, которые, хоть их и трудно увидеть простым глазом, продолжают закручивать струю воды и тогда, когда она льется в раковину. Кроме того, когда вода уходит в сливное отверстие, могут создаваться похожие течения. Именно они определяют направление движения воды в воронке, поскольку силы Кориолиса оказываются гораздо слабее этих течений. В обычной жизни направление закручивания воды в сливной воронке в северном и южном полушариях больше зависит от конфигурации канализационной системы, чем от действия природных сил.
Однако все-таки нашлась группа экспериментаторов, которой хватило терпения повторить этот опыт в «чистых» условиях. Они взяли идеально симметричную раковину сферической формы, устранили канализационные трубы, позволив воде проходить сквозь сливное отверстие свободно, оборудовали сливное отверстие автоматической заслонкой, которая открывалась лишь после того, как в воде успокаивались любые остаточные токи, - и увидели-таки эффект Кориолиса в действии! Несколько раз им даже удалось увидеть, как вода сначала под слабым внешним воздействием закручивалась в одну сторону, а затем силы Кориолиса брали верх, и направление спирали менялось на противоположное!
Это одна из сил инерции, открытая, описанная и изученная французом Гюставом Гаспаром Кориолисом ещё в начале 19 века. Физический термин "сила Кориолиса" применим и в ситуации с особенностями течения многих рек на нашей планете. Поскольку относительно планеты Земля эта сила проявляется в результате её вращения вокруг собственной оси. Когда мы наблюдаем Землю с северного полюса, то планета вращается слева направо, то есть против движения стрелки часов. В данном случае сила Кориолиса появляется, усиливая инерцию вправо, по ходу тела. Поэтому в нашем полушарии, на севере от экватора, у всех речек, за исключением совсем маленьких, обычно вздымающиеся, холмистые и обрывистые берега. Ведь влияние потока на правый берег умножается описанной нами силой. И соответственно, левый берег в большинстве случаев более равнинный, спокойный. В южном полушарии Земли наблюдается обратно противоположное явление.
Исключение составляют те случаи, когда река вынуждена пробивать себе дорогу в твёрдых скальных породах. Могут быть обусловлены природным ландшафтом, разностью грунтов, и исключительной стремительностью течения рек в горных массивах или на абсолютно пологих равнинах. Часто у очень широких рек в равнинной местности и на мягких грунтах берега почти одинаковые.
Вследствие этой закономерности Русские армии с древнейших времён несли более обширные потери во многих войнах с иноземными захватчиками, чем могло бы быть. Дело в том, что при наступлении врага с западного, европейского направления, наши предки были вынуждены их встречать на пологом берегу, то есть, враг зачастую имел стратегическое преимущество в высоте. И соответственно, при ответных контратаках, наши войска форсировали укреплённый и неприступный берег.
Мало кто из нас задумывается о таких моментах истории и географии. А ведь на самом деле подобных закономерностей в жизни не мало. Поэтому, прежде чем ругать наших полководцев за лишние человеческие потери в боях, нужно видеть несколько дальше собственного носа.
06.09.2017г. /сайт/
При движении тела относительно вращающейся системы отсчета, кроме центробежной силы, появляется еще одна сила, называемая силой Кориолиса .
Рассмотрим рис.5. Шарик массой m движется прямолинейно со скоростью от центра к краю диска. Если диск неподвижен, то шарик попадает в точку М , а если диск вращается с постоянной угловой скоростью ω, то шарик попадает в точку N . Это обусловлено тем, что на шарик действует сила Кориолиса.
Рис.5
Появление силы Кориолиса можно обнаружить, если рассмотреть пример с шариком на спице на вращающемся диске, но без пружины. Для того чтобы заставить шарик двигаться с некоторой скоростью вдоль спицы, необходима боковая сила. Шарик вращается вместе с диском с постоянной угловой скоростью w, поэтому его момент импульса равен:
Если шарик будет перемещаться вдоль спицы с постоянной скоростью , то с изменением момент импульса шарика изменится. А это означает, что на движущееся во вращающейся системе тело должен действовать некоторый момент силы, который согласно основному уравнению динамики вращательного движения равен
Для того чтобы заставить шарик двигаться по вращающемуся диску вдоль радиальной прямой со скоростью , необходимо прилагать боковую силу
направленную перпендикулярно . Относительно вращающейся системы (диска) шарик движется с постоянной скоростью.
Это можно объяснить тем, что сила уравновешивается приложенной к шарику силой инерции , перпендикулярной к скорости (рис.6). Сила и есть Кориолисова сила инерции. Она определяется выражением
Рис.6
С учетом направления силу Кориолиса можно представить в виде
Сила Кориолиса всегда перпендикулярна скорости тела . Во вращающейся системе отсчета при = 0 эта сила отсутствует. Таким образом, Кориолисова сила инерции возникает только тогда, когда система отсчета вращается, а тело движется относительно этой системы. Действием силы Кориолиса объясняется ряд эффектов, наблюдающихся на поверхности Земли, например, поворот плоскости колебаний маятника Фуко относительно Земли, отклонение к востоку от линии отвеса свободно падающих тел, размытие правого берега рек в северном полушарии и левого в южном, неодинаковый износ рельсов при двухколейном движении.
Начало формы
Сила Кориолиса в природе
Самый обычный пример использования силы Кориолиса - это эффект ускорения кручения танцоров. Чтоб ускорить свое вращение, человек может начать вертеться с обширно разведёнными в стороны руками, а потом - уже в процессе - резко придавить руки к туловищу, что вызовет повышение радиальный скорости (согласно закону сохранения момента импульса). Эффект силы Кориолиса проявится в том, что для подобного движения руками придётся прикладывать усилия не только лишь по направлению к телу, да и в направлении по вращению. При всем этом появляется чувство, что руки отталкиваются от чего-то, при всем этом ещё больше ускоряясь.
Сила Кориолиса также проявляется, к примеру, в работе маятника Фуко. Не считая того, так как Земля крутится, то сила Кориолиса проявляется и в глобальных масштабах. В северном полушарии сила Кориолиса ориентирована на право от движения, потому правые берега рек в Северном полушарии более крутые - их подмывает вода под действием этой силы (см. Закон Бэра). В Южном полушарии всё происходит напротив. Сила Кориолиса несет ответственность также и за вращение циклонов и антициклонов.
Вопреки расхожему воззрению, маловероятно, что сила Кориолиса целиком определяет направление закручивания воды в водопроводе - к примеру, при сливе в раковине. Хотя в различных полушариях она вправду стремится закручивать водяную воронку в различных направлениях, при сливе появляются и побочные потоки, зависящие от формы раковины и конфигурации канализационной системы. По абсолютной величине создаваемые этими потоками силы превосходят силу Кориолиса, потому направление вращения воронки как в Северном, так и в Южном полушарии может быть как по часовой стрелке, так и против неё.
Сила Кориолиса (по имени французского учёного Г. Кориолиса, в первый раз его описавшего) - одна из сил инерции, существующая в неинерциальной (вращающейся) системе отсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения. Ускорение Кориолиса было получено Г.Кориолисом в 1833г., К.Гаусом в 1803г. и Л.Эйлером в 1765 г.
Причина возникновения силы Кориолиса - в кориолисовом (поворотном) ускорении. Для того, чтоб тело двигалось с кориолисовым ускорением, нужно приложение силы к телу, равной F = ma, где a - кориолисово ускорение. Соответственно, тело действует по третьему закону Ньютона с силой обратной направленности. FK = - ma. Сила, которая действует со стороны тела, и будет называться силой Кориолиса. Не следует путать Кориолисову силу с иной силой инерции - центробежной силой, которая ориентирована по радиусу вращающейся окружности.
В инерциальных системах отсчёта действует закон инерции, другими словами, каждое тело стремится двигаться по прямой и с неизменной скоростью. В том случае разглядеть движение тела, равномерное повдоль некого вращающегося радиуса и направленное от центра, то станет ясно, что чтоб оно осуществилось, требуется придавать телу ускорение, потому что чем далее от центра, тем должна быть больше касательная скорость вращения. Это означает, что исходя из убеждений вращающейся системы отсчёта, некоторая сила будет пробовать сдвинуть тело с радиуса.
В том случае вращение происходит по часовой стрелке, то двигающееся от центра вращения тело будет стремиться сойти с радиуса на лево. В том случае вращение происходит против часовой стрелки - то на право.
Итог действия силы Кориолиса будет наибольшим при продольном перемещении объекта по отношению к вращению. Как следует, на Земле это будет при движении по меридиану, при всем этом тело отклоняется на право при движении с севера на юг и на лево при движении с юга на север. Для этого явления имеются две предпосылки: 1-ая, вращение Земли на восток; и 2-ая - зависимость от географической широты тангенциальной скорости точки на поверхности Земли (эта скорость равна нулю на полюсах и добивается собственного наибольшего значения на экваторе).
Следовательно, при выстреле пушки на север из хоть какой точки на экваторе, снаряд падает восточнее собственного сначало данного направления. Это отклонение разъясняется тем фактом, что на экваторе снаряд двигается к востоку резвее, чем в хоть какой точке севернее. Подобно, в том случае стрелять со стороны северного полюса, то снаряд должен падать правее по отношению к собственной прицельной точке. Потому что в данном случае за время полета цель успевает переместиться к востоку далее из-за собственной большей, чем у снаряда, восточной скорости. Подобные смещения происходят при любом выстреле, в том случае только начальная скорость снаряда имеет ненулевую проекцию на направление север - юг.
Первоисточники:
