Коріолісова сила - біологія
Коріолісова сила належить до псевдо або інерційних сил. У обертових системах відліку це відбувається на додаток до відцентрової сили, коли маса не впирається в обертову систему відліку (тобто коли вона не просто "обертається"), а рухається відносно системи відліку. Він названий на честь Гаспара Гюстава де Коріоліса, який вперше математично вивів його в 1835 році.
Напрямок сили Коріоліса перпендикулярний як до напрямку руху тіла, так і до осі обертання системи відліку. Їх кількість пропорційна масі тіла, що рухається, кутовій швидкості та довжині проекції вектора швидкості на площину, перпендикулярну осі обертання. Для сили Коріоліса важлива лише та частина руху, яка не паралельна осі обертання системи. Якщо вектор швидкості та вісь обертання паралельні, отже, він дорівнює нулю.
Сили Коріоліса відіграють важливу роль у метеорології та фізичній океанографії. Завдяки обертанню землі повітряні та водні маси рухаються в обертовій системі відліку. У північній півкулі це викликає відхилення вправо, що визначає напрямок обертання областей високого та низького тиску.
Вступ - Сила Коріоліса на вертушці
Людина, що відпочиває на обертовому диску (наприклад, на каруселі), відчуває зовнішню відцентрову силу. Якщо він рухається по диску, він також відчуває силу, спрямовану в бік (перпендикулярно поточному напрямку руху). Це сила Коріоліса.
Поширеним є помилкова думка, що сила Коріоліса діє лише радіальними рухами, тобто з тими, які спрямовані в сторону від центру або до нього. Насправді він діє на будь-які рухи в горизонтальній площині відносно вертушки, перпендикулярний напрямку руху і має однакову кількість. [1] Якщо диск обертається вправо - як на малюнку - сила Коріоліса діє вліво щодо напрямку руху червоного тіла.
Зсув, паралельний осі обертання, перпендикулярний вертушці, не викликає сили Коріоліса.
Сила Коріоліса внаслідок обертання Землі
Сила Коріоліса, яка повертається до обертання землі, діє на кожен об’єкт, що рухається по землі. Вплив обертання Землі на рух тіл вперше вивчив Ісаак Ньютон.
Вертикальні рухи
При русі вниз (перпендикулярно до земної поверхні) сила Коріоліса спрямована на схід, при русі вгору на захід. Дуже малим прогином північ-південь можна нехтувати, щоб наблизитись.
Якщо ви впустите предмет, він буде відхилений на схід через силу Коріоліса. Ранні виміри цього ефекту були зроблені Джованні Баттіста Гугліелміні (1791 в Болоньї), Йоганном Фрідріхом Бензенбергом (1802 в Гамбурзі) та Фердинаном Рейхом (1832 у Фрайберзі), див. Осінні експерименти для виявлення обертання Землі.
Маріну Мерсенну приписується питання, де - не враховуючи руху повітря та опору повітря - гарматне ядро, яке стріляло вертикально вгору, падає на землю. Це прискорюється силою Коріоліса під час руху вгору на захід і під час руху вниз на схід. Отже, ваш вектор швидкості набуває горизонтальної складової, яка спрямована на захід протягом усього польоту і досягає свого максимуму в точці повороту. У результаті він відхиляється на захід. При початковій швидкості 100 м/с і географічній широті 50 ° відхилення на захід становить 65 см, наприклад.
Горизонтальні рухи
При горизонтальних рухах на землі сила Коріоліса має горизонтальну та вертикальну складові.
Вертикальна складова мала в порівнянні з гравітацією. Наприклад, літак, що летить на схід на екваторі зі швидкістю звуку, стає легшим майже на тисячну частину своєї ваги завдяки вертикальній складовій сили Коріоліса - якщо він летить на захід, він стає відповідно важчим. Вертикальна складова сили Коріоліса на землі лише на практиці відіграє роль коригуючого елемента при точних вимірах поля земного тяжіння.
Тому на землі горизонтальну складову зазвичай називають «силою Коріоліса». Горизонтальна складова тягне спостерігача, що рухається, праворуч у північній півкулі та ліворуч у південній півкулі, чим сильніше він наближається до полюсів. При русі по екватору горизонтальна складова сили Коріоліса дорівнює нулю. Кількість горизонтальної складової залежить Ні за напрямком руху. При русі північ-південь діє такий самий горизонтальний компонент сил Коріоліса, як і при русі схід-захід.
Сили Коріоліса мають великий вплив на форми широкомасштабних рухів в атмосфері та в океані. Це було теоретично розглянуто вперше в теорії припливів і відпливів, встановленій Лапласом (1778). Вплив вітру на океанічні течії, модифіковані силою Коріоліса, що призводить до правильного відхилення в північній півкулі, був пояснений Ваґном Вальфрідом Екманом близько 1905 р. І описаний транспортом Екмана (див. Також штопорний струм). Вплив сили Коріоліса на переміщення, наприклад у морі та в атмосфері, характеризується безрозмірним числом Россбі. Чим це менше, тим більший вплив сила Коріоліса робить на рух.
Вплив сили Коріоліса на погоду
Сили Коріоліса відповідають за те, що повітряні маси рухаються за годинниковою стрілкою навколо великих областей високого тиску в північній півкулі та проти годинникової стрілки навколо областей низького тиску. В області низького тиску повітря надходить всередину завдяки градієнту тиску. У північній півкулі цей потік відхиляється вправо силою Коріоліса, в результаті чого відбувається обертання проти годинникової стрілки. Отриманий характер потоку також можна пояснити геострофічною рівновагою між горизонтальним градієнтом тиску та силою Коріоліса: сила Коріоліса діє назовні на вихор, який обертається проти годинникової стрілки та компенсує внутрішню силу градієнта тиску. Загалом повітря в північній півкулі обертається проти годинникової стрілки навколо областей низького тиску та за годинниковою стрілкою навколо областей високого тиску. У південній півкулі це якраз навпаки. Геострофічна рівновага лише формує масштабні погодні структури. Наприклад, сила Коріоліса не має прямого впливу на напрямок обертання торнадо. Сила Коріоліса також відіграє важливу роль у формуванні хвиль Россбі та Янаї.
Коріоліс Сила та залізниця
У залізничному сполученні сила Коріоліса в північній півкулі означає, що на прямих магістралях залізнична рейка праворуч у напрямку руху трохи більше навантажена, ніж ліва рейка. Потяг (наприклад, ICE 3 масою 400 т), що рухається на географічній широті 51 градус (Кельн) зі швидкістю 250 км/год, відчуває силу 3200 Н праворуч. Це відповідає приблизно одній на тисячу ваги. Якщо в поїзді є вісім вагонів з чотирма вісями кожна, кожне праве колесо притискається праворуч до рейки силою Коріоліса приблизно 100 Н. Для порівняння, при цій швидкості з радіусом кривої 3000 м на кожне колесо діє поперечна сила 20000 Н, тобто в 200 разів більша, ніж сила Коріоліса.
Кола інерції
Завдяки силі Коріоліса, повітряна чи водна маса, яка рухається в системі відліку, що обертається із землею зі швидкістю $ \, v $ без впливу інших сил, описує «кола інерції» з радіусами $ \, R = \ tfrac. $ У середніх широтах зі значеннями параметра Коріоліса (див. Нижче) $ \, f = 10 ^ \, \ mathrm ^ $ і типовою швидкістю потоку океану $ 10 ^ \ tfrac >> $, радіус $ \, R = 1 \, \ mathrm $. Рух відбувається за годинниковою стрілкою в північній півкулі та проти годинникової стрілки в південній півкулі. Період орбітального руху становить $ T = \ tfrac, $ z. B. при 60 градусах широти близько 15 годин. Ви були z. Б. спостерігали за вільно плаваючими буями в Балтійському морі, які спочатку слідували за поверхневим струмом, роздутим сильним вітром, але після того, як вітер стих, описані кругові орбіти або циклоїди (оскільки струм накладався на кругові рухи). [2] Сили Коріоліса відіграють важливу роль у ході океанічних та повітряних течій, поряд з іншими силами, які врівноважуються з нею або навіть домінують над нею (геострофія).
Сила Коріоліса і маятник Фуко
Концепція сили Коріоліса дозволяє просто зрозуміти маятник Фуко. Оскільки маятник (у північній півкулі) силою Коріоліса відтягується вправо, його площина коливань обертається. Швидкість обертання зменшується із збільшенням відстані від полюса.
Ерозія берегів річки
Сила Коріоліса також означає, що в північній півкулі ті береги річок, які знаходяться праворуч у напрямку потоку, в середньому більш еродовані, ніж ліві. Вперше це явище було описано в 1763 році Михайлом Васильевичем Ломоносова. Перші пояснення прийшли від П. А. Словцова (1827) та Карла Ернста фон Баера (1856). [3] Хоча ці дослідники вважали, що ефект відбувся лише на річках, що протікають з півдня на північ, ефект все ще називають Закон Баера призначений. Правильну думку про те, що ефект не залежить від напрямку потоку, вперше сформулював Жак Бабіне в 1859 році, а пізніше Альберт Ейнштейн [4] (1926). [5]
Вплив сили Коріоліса на дренаж води в басейні
Поширена думка щодо сили Коріоліса стосується поведінки обертання водного вихору, наприклад у ванні. Якщо стік відкрито, вихрові вихри повинні рухатися проти годинникової стрілки в північній півкулі та за годинниковою стрілкою в південній півкулі - подібно до областей низького тиску атмосфери. Насправді сила Коріоліса не грає практичної ролі в таких малих розмірах. У порівнянні з іншими впливами, наприклад, вже існуючими течіями, вплив сили Коріоліса є незначним. [6] [7]
Сила Коріоліса в техніці
Сили Коріоліса важливі в техніці, коли обертальний рух "накладається" на другий рух. Це, наприклад, у випадку з роботом, який обертається і одночасно висуває руку захоплення.
Формули
Сила Коріоліса $ \ vec F_ \ mathrm $ діє на тіло, яке рухається в обертовій системі відліку.
$ \ vec F_ \ mathrm = -2 \, m \ ліворуч (\ vec \ omega \ times \ vec v \ праворуч), $
- $ m $ - маса тіла, що рухається,
- $ \ vec \ omega $ - кутова швидкість системи відліку і
- $ \ vec v $ - вектор швидкості руху тіла щодо обертової системи відліку.
Якщо кут між віссю обертання та напрямком руху відомий, скалярні значення можна використовувати для розрахунків. Якщо система відліку обертається вправо, сила Коріоліса діє вліво щодо напрямку руху. Повернувшись вліво, він працює вправо.
$ F_ \ mathrm = 2 \, m \, \ omega \, v \ sin \ varphi = 2 \, m \, \ omega \, v_> $
- $ \ varphi $ Кут між швидкістю та вектором кутової швидкості
- $ v_> $ складова швидкості, паралельна площині обертання або перпендикулярна кутовій швидкості
У розкладеній анімації вектор сили Коріоліса для радіальної та тангенціальної рухомої сфери намальований на поворотній платформі (спостереження з системи обертання, що обертається). Якщо знак змінений, сила Коріоліса точно відповідає стримуючій силі, яку потрібно було б застосувати, щоб змусити намальований куля на показані шляхи (тут відцентрова сила не враховується).