Când fizica studiază procesul de mișcare a corpurilor în cadre de referință non-inerțiale, trebuie să ținem cont de așa-numita accelerație Coriolis. În articol îi vom da o definiție, vom arăta de ce apare și unde se manifestă pe Pământ.
Ce este accelerația Coriolis?
Pentru a răspunde pe scurt la această întrebare, putem spune că aceasta este accelerația care are loc ca urmare a acțiunii forței Coriolis. Acesta din urmă se manifestă atunci când corpul se mișcă într-un cadru de referință rotativ non-inerțial.
Reamintim că sistemele non-inerțiale se mișcă cu accelerație sau se rotesc în spațiu. În majoritatea problemelor fizice, se presupune că planeta noastră este un cadru de referință inerțial, deoarece viteza sa unghiulară de rotație este prea mică. Cu toate acestea, când luăm în considerare acest subiect, se presupune că Pământul nu este inerțial.
Există forțe fictive în sistemele non-inerțiale. Din punctul de vedere al unui observator într-un sistem non-inerțial, aceste forțe apar fără niciun motiv. De exemplu, forța centrifugă estefals. Apariția sa nu este cauzată de impactul asupra corpului, ci de prezența proprietății de inerție în acesta. Același lucru este valabil și pentru forța Coriolis. Este o forță fictivă cauzată de proprietățile inerțiale ale corpului într-un cadru de referință rotativ. Numele său este asociat cu numele francezului Gaspard Coriolis, care l-a calculat primul.
Forța Coriolis și direcțiile de mișcare în spațiu
După ce ne-am familiarizat cu definiția accelerației Coriolis, să luăm acum în considerare o întrebare specifică - în ce direcții de mișcare a unui corp în spațiu în raport cu un sistem rotativ are loc.
Să ne imaginăm un disc care se rotește într-un plan orizontal. Prin centrul său trece o axă verticală de rotație. Lăsați corpul să se odihnească pe disc în raport cu acesta. În repaus, asupra ei acționează o forță centrifugă, îndreptată de-a lungul razei de la axa de rotație. Dacă nu există nicio forță centripetă care i se opune, atunci corpul va zbura de pe disc.
Acum să presupunem că corpul începe să se miște vertical în sus, adică paralel cu axa. În acest caz, viteza sa liniară de rotație în jurul axei va fi egală cu cea a discului, adică nu va apărea nicio forță Coriolis.
Dacă corpul a început să facă o mișcare radială, adică a început să se apropie sau să se îndepărteze de axă, atunci apare forța Coriolis, care va fi îndreptată tangențial la direcția de rotație a discului. Apariția sa este asociată cu conservarea momentului unghiular și cu prezența unei anumite diferențe în vitezele liniare ale punctelor discului, care sunt situate pedistanțe diferite față de axa de rotație.
În sfârșit, dacă corpul se mișcă tangențial la discul rotativ, atunci va apărea o forță suplimentară care îl va împinge fie spre axa de rotație, fie departe de aceasta. Aceasta este componenta radială a forței Coriolis.
Deoarece direcția accelerației Coriolis coincide cu direcția forței luate în considerare, această accelerație va avea și două componente: radială și tangențială.
Formulă de forță și accelerație
Forța și accelerația în conformitate cu a doua lege a lui Newton sunt legate între ele prin următoarea relație:
F=ma.
Dacă luăm în considerare exemplul de mai sus cu un corp și un disc care se rotește, putem obține o formulă pentru fiecare componentă a forței Coriolis. Pentru a face acest lucru, aplicați legea conservării momentului unghiular, precum și amintiți formula pentru accelerația centripetă și expresia relației dintre viteza unghiulară și viteza liniară. În rezumat, forța Coriolis poate fi definită după cum urmează:
F=-2m[ωv].
Aici m este masa corpului, v este viteza sa liniară într-un cadru non-inerțial, ω este viteza unghiulară a cadrului de referință în sine. Formula de accelerație Coriolis corespunzătoare va lua forma:
a=-2[ωv].
Produsul vectorial al vitezelor este între paranteze drepte. Conține răspunsul la întrebarea în care este direcționată accelerația Coriolis. Vectorul său este direcționat perpendicular atât pe axa de rotație, cât și pe viteza liniară a corpului. Aceasta înseamnă că cel studiataccelerația duce la o curbură a unei traiectorii rectilinie a mișcării.
Influența forței Coriolis asupra zborului unei ghiulele
Pentru a înțelege mai bine cum se manifestă forța studiată în practică, luați în considerare următorul exemplu. Lasă tunul, fiind la meridianul zero și latitudinea zero, să tragă direct spre nord. Dacă Pământul nu s-ar roti de la vest la est, atunci nucleul ar cădea la 0° longitudine. Cu toate acestea, din cauza rotației planetei, nucleul va cădea la o altă longitudine, deplasat spre est. Acesta este rezultatul accelerației Coriolis.
Explicația efectului descris este simplă. După cum știți, punctele de pe suprafața Pământului, împreună cu masele de aer deasupra lor, au o viteză mare de rotație liniară dacă sunt situate la latitudini joase. La decolarea de pe tun, miezul avea o viteză liniară mare de rotație de la vest la est. Această viteză îl face să se deplaseze spre est când zboară la latitudini mai mari.
Efectul Coriolis și curenții marini și de aer
Efectul forței Coriolis este observat cel mai clar în exemplul curenților oceanici și a mișcării maselor de aer în atmosferă. Astfel, Gulf Stream, care începe din sudul Americii de Nord, traversează întreg Oceanul Atlantic și ajunge pe țărmurile Europei datorită efectului remarcat.
În ceea ce privește masele de aer, alizeele, care sufla de la est la vest tot timpul anului la latitudini joase, sunt o manifestare clară a influenței forței Coriolis.
Exemplu de problemă
Formula pentruAccelerația Coriolis. Este necesar să îl folosiți pentru a calcula cantitatea de accelerație pe care o dobândește un corp, deplasându-se cu o viteză de 10 m / s, la o latitudine de 45 °.
Pentru a folosi formula pentru accelerație în raport cu planeta noastră, ar trebui să adăugați la ea dependența de latitudinea θ. Formula de lucru va arăta astfel:
a=2ωvsin(θ).
Semnul minus a fost omis deoarece definește direcția accelerației, nu modulul acesteia. Pentru Pământ ω=7,310-5rad/s. Înlocuind toate numerele cunoscute în formulă, obținem:
a=27, 310-510sin(45o)=0,001 m/ c 2.
După cum puteți vedea, accelerația Coriolis calculată este de aproape 10.000 de ori mai mică decât accelerația gravitațională.
