Når fysikk studerer bevegelsesprosessen til legemer i ikke-tregne referanserammer, må man ta hensyn til den såk alte Coriolis-akselerasjonen. I artikkelen vil vi gi det en definisjon, vise hvorfor det oppstår og hvor det manifesterer seg på jorden.
Hva er Coriolis-akselerasjon?
For å svare kort på dette spørsmålet kan vi si at dette er akselerasjonen som oppstår som et resultat av Coriolis-styrkens handling. Sistnevnte manifesterer seg når kroppen beveger seg i en ikke-tregende roterende referanseramme.
Husk at ikke-treghetssystemer beveger seg med akselerasjon eller roterer i rommet. I de fleste fysiske problemer antas planeten vår å være en treghetsreferanse, siden dens vinkelhastighet er for liten. Men når vi vurderer dette emnet, antas jorden å være ikke-treg.
Det er fiktive krefter i ikke-treghetssystemer. Fra synsvinkelen til en observatør i et ikke-treghetssystem, oppstår disse kreftene uten grunn. For eksempel er sentrifugalkraftforfalskning. Dens utseende er ikke forårsaket av innvirkningen på kroppen, men av tilstedeværelsen av treghet i den. Det samme gjelder Coriolis-styrken. Det er en fiktiv kraft forårsaket av treghetsegenskapene til kroppen i en roterende referanseramme. Navnet er assosiert med navnet til franskmannen Gaspard Coriolis, som først beregnet det.
Corioliskraft og bevegelsesretninger i rommet
Etter å ha blitt kjent med definisjonen av Coriolis-akselerasjon, la oss nå vurdere et spesifikt spørsmål - i hvilke bevegelsesretninger for et legeme i rommet i forhold til et roterende system.
La oss forestille oss en skive som roterer i et horisont alt plan. En vertikal rotasjonsakse går gjennom midten. La kroppen hvile på disken i forhold til den. I hvile virker en sentrifugalkraft på den, rettet langs radius fra rotasjonsaksen. Hvis det ikke er noen sentripetalkraft som motsetter seg det, vil kroppen fly av skiven.
Anta nå at kroppen begynner å bevege seg vertik alt oppover, det vil si parallelt med aksen. I dette tilfellet vil dens lineære rotasjonshastighet rundt aksen være lik skivens, det vil si at det ikke vil oppstå noen Coriolis-kraft.
Hvis kroppen begynte å gjøre en radiell bevegelse, det vil si at den begynte å nærme seg eller bevege seg bort fra aksen, så vises Coriolis-kraften, som vil bli rettet tangentielt til skivens rotasjonsretning. Dens utseende er assosiert med bevaring av vinkelmomentum og tilstedeværelsen av en viss forskjell i de lineære hastighetene til punktene på disken, som er plassert påforskjellige avstander fra rotasjonsaksen.
Til slutt, hvis kroppen beveger seg tangentielt til den roterende skiven, vil en ekstra kraft dukke opp som vil skyve den enten mot rotasjonsaksen eller bort fra den. Dette er den radielle komponenten til Coriolis-kraften.
Siden retningen til Coriolis-akselerasjonen sammenfaller med retningen til den betraktede kraften, vil denne akselerasjonen også ha to komponenter: radiell og tangentiell.
Formel for kraft og akselerasjon
Kraft og akselerasjon i samsvar med Newtons andre lov er relatert til hverandre ved følgende forhold:
F=ma.
Hvis vi tar for oss eksempelet ovenfor med en kropp og en roterende skive, kan vi få en formel for hver komponent av Coriolis-kraften. For å gjøre dette, bruk loven om bevaring av vinkelmomentum, i tillegg til å huske formelen for sentripetalakselerasjon og uttrykket for forholdet mellom vinkel- og lineær hastighet. Oppsummert kan Coriolis-styrken defineres som følger:
F=-2m[ωv].
Her er m kroppens masse, v er dens lineære hastighet i en ikke-treghetsramme, ω er vinkelhastigheten til selve referanserammen. Den tilsvarende Coriolis-akselerasjonsformelen vil ha formen:
a=-2[ωv].
Vektorproduktet til hastighetene er i hakeparenteser. Den inneholder svaret på spørsmålet hvor Coriolis-akselerasjonen er rettet. Vektoren er rettet vinkelrett på både rotasjonsaksen og kroppens lineære hastighet. Dette betyr at de studerteakselerasjon fører til en krumning av en rettlinjet bevegelsesbane.
Coriolis-styrkens innflytelse på flukten til en kanonkule
For bedre å forstå hvordan den studerte kraften manifesterer seg i praksis, vurder følgende eksempel. La kanonen, som er på nullmeridian og null breddegrad, skyte rett mot nord. Hvis jorden ikke roterte fra vest til øst, ville kjernen falle på 0° lengdegrad. På grunn av planetens rotasjon vil imidlertid kjernen falle på en annen lengdegrad, forskjøvet mot øst. Dette er resultatet av Coriolis-akselerasjonen.
Forklaringen på den beskrevne effekten er enkel. Som du vet har punkter på jordoverflaten, sammen med luftmasser over dem, stor lineær rotasjonshastighet dersom de befinner seg på lave breddegrader. Ved avgang fra kanonen hadde kjernen en høy lineær rotasjonshastighet fra vest til øst. Denne hastigheten får den til å drive østover når den flyr på høyere breddegrader.
Coriolis-effekt og sjø- og luftstrømmer
Effekten av Coriolis-kraften sees tydeligst i eksemplet med havstrømmer og bevegelsen av luftmasser i atmosfæren. Dermed krysser Golfstrømmen, som starter i det sørlige Nord-Amerika, hele Atlanterhavet og når kysten av Europa på grunn av den bemerkede effekten.
Når det gjelder luftmasser, er passatvindene, som blåser fra øst til vest hele året på lave breddegrader, en tydelig manifestasjon av innflytelsen fra Coriolis-styrken.
Eksempelproblem
Formelen forCoriolis akselerasjon. Det er nødvendig å bruke det til å beregne mengden akselerasjon som et legeme får ved å bevege seg med en hastighet på 10 m/s, på en breddegrad på 45 °.
For å bruke formelen for akselerasjon i forhold til planeten vår, bør du legge til avhengigheten av breddegrad θ. Arbeidsformelen vil se slik ut:
a=2ωvsin(θ).
Minustegnet er utelatt fordi det definerer akselerasjonsretningen, ikke modulen. For jorden ω=7,310-5rad/s. Ved å erstatte alle kjente tall i formelen får vi:
a=27, 310-510sin(45o)=0,001 m/ c 2.
Som du kan se, er den beregnede Coriolis-akselerasjonen nesten 10 000 ganger mindre enn gravitasjonsakselerasjonen.
