Ko fizika proučuje proces gibanja teles v neinercialnih referenčnih okvirih, je treba upoštevati tako imenovani Coriolisov pospešek. V članku ga bomo opredelili, pokazali, zakaj se pojavlja in kje se manifestira na Zemlji.
Kaj je Coriolisov pospešek?
Če na kratko odgovorimo na to vprašanje, lahko rečemo, da je to pospešek, ki nastane kot posledica delovanja Coriolisove sile. Slednje se kaže, ko se telo giblje v neinercialnem vrtečem se referenčnem okviru.
Ne pozabite, da se neinercialni sistemi gibljejo s pospeškom ali vrtijo v prostoru. V večini fizičnih problemov se domneva, da je naš planet inercialni referenčni okvir, saj je njegova kotna hitrost vrtenja premajhna. Vendar se pri obravnavanju te teme domneva, da je Zemlja neinercialna.
V neinercialnih sistemih obstajajo fiktivne sile. Z vidika opazovalca v neinercialnem sistemu te sile nastanejo brez razloga. Na primer, centrifugalna sila jeLažne. Njegov videz ni posledica vpliva na telo, temveč prisotnost lastnosti vztrajnosti v njem. Enako velja za Coriolisovo silo. Je fiktivna sila, ki jo povzročajo vztrajnostne lastnosti telesa v vrtečem se referenčnem sistemu. Njegovo ime je povezano z imenom Francoza Gasparda Coriolisa, ki ga je prvi izračunal.
Coriolisova sila in smeri gibanja v prostoru
Ko smo se seznanili z definicijo Coriolisovega pospeška, premislimo o konkretnem vprašanju - v kakšnih smereh gibanja telesa v prostoru glede na vrteči sistem se to dogaja.
Predstavimo si disk, ki se vrti v vodoravni ravnini. Skozi njegovo središče poteka navpična os vrtenja. Naj telo počiva na disku glede nanj. V mirovanju nanj deluje centrifugalna sila, usmerjena vzdolž polmera od osi vrtenja. Če ni centripetalne sile, ki ji nasprotuje, bo telo poletelo z diska.
Sedaj predpostavimo, da se telo začne premikati navpično navzgor, torej vzporedno z osjo. V tem primeru bo njegova linearna hitrost vrtenja okoli osi enaka hitrosti diska, to pomeni, da ne bo prišlo do Coriolisove sile.
Če je telo začelo delati radialno gibanje, torej se je začelo približevati ali odmikati od osi, se pojavi Coriolisova sila, ki bo usmerjena tangencialno na smer vrtenja diska. Njegov videz je povezan z ohranjanjem kotne količine in s prisotnostjo določene razlike v linearnih hitrostih točk diska, ki se nahajajo narazlične razdalje od osi vrtenja.
Nazadnje, če se telo premakne tangencialno na vrteči se disk, se pojavi dodatna sila, ki ga bo potisnila proti osi vrtenja ali stran od nje. To je radialna komponenta Coriolisove sile.
Ker smer Coriolisovega pospeška sovpada s smerjo obravnavane sile, bo ta pospešek imel tudi dve komponenti: radialno in tangencialno.
Formula sile in pospeška
Sila in pospešek v skladu z Newtonovim drugim zakonom sta med seboj povezana z naslednjim razmerjem:
F=ma.
Če upoštevamo zgornji primer s telesom in vrtečim se diskom, lahko dobimo formulo za vsako komponento Coriolisove sile. Če želite to narediti, uporabite zakon o ohranitvi kotne količine in se spomnite formule za centripetalni pospešek in izraza za razmerje med kotno in linearno hitrostjo. Če povzamemo, lahko Coriolisovo silo definiramo na naslednji način:
F=-2m[ωv].
Tukaj je m masa telesa, v je njegova linearna hitrost v neinercialnem okviru, ω je kotna hitrost samega referenčnega okvira. Ustrezna formula za Coriolisov pospešek bo imela obliko:
a=-2[ωv].
Vektorski produkt hitrosti je v oglatih oklepajih. Vsebuje odgovor na vprašanje, kam je usmerjen Coriolisov pospešek. Njegov vektor je usmerjen pravokotno tako na os vrtenja kot na linearno hitrost telesa. To pomeni, da študirapospešek vodi do ukrivljenosti premočrtne poti gibanja.
Vpliv Coriolisove sile na let topovske krogle
Za boljše razumevanje, kako se preučevana sila manifestira v praksi, si oglejte naslednji primer. Naj top, ki je na ničelnem poldnevniku in ničelni zemljepisni širini, strelja naravnost proti severu. Če se Zemlja ne bi vrtela od zahoda proti vzhodu, bi jedro padlo na 0° zemljepisne dolžine. Vendar pa bo zaradi vrtenja planeta jedro padlo na drugačni zemljepisni dolžini, premaknjeno proti vzhodu. To je rezultat Coriolisovega pospeška.
Razlaga opisanega učinka je preprosta. Kot veste, imajo točke na zemeljski površini skupaj z zračnimi masami nad njimi veliko linearno hitrost vrtenja, če se nahajajo na nizkih zemljepisnih širinah. Pri vzletu iz topa je imela jedro visoko linearno hitrost vrtenja od zahoda proti vzhodu. Ta hitrost povzroči odnašanje proti vzhodu, ko leti na višjih zemljepisnih širinah.
Coriolisov učinek ter morski in zračni tokovi
Učinek Coriolisove sile je najbolj jasno viden na primeru oceanskih tokov in gibanja zračnih mas v atmosferi. Tako Zalivski tok, ki se začne na jugu Severne Amerike, prečka celoten Atlantski ocean in doseže obale Evrope zaradi opaženega učinka.
Kar zadeva zračne mase, so pasati, ki na nizkih zemljepisnih širinah vse leto pihajo od vzhoda proti zahodu, jasen izraz vpliva Coriolisove sile.
Primer težave
Formula zaCoriolisov pospešek. Z njim je treba izračunati količino pospeška, ki ga pridobi telo, ki se giblje s hitrostjo 10 m / s, na zemljepisni širini 45 °.
Če želite uporabiti formulo za pospešek glede na naš planet, ji dodajte odvisnost od zemljepisne širine θ. Delovna formula bo videti takole:
a=2ωvsin(θ).
Predznak minus je bil izpuščen, ker opredeljuje smer pospeška in ne njegov modul. Za Zemljo ω=7,310-5rad/s. Če v formulo nadomestimo vsa znana števila, dobimo:
a=27, 310-510sin(45o)=0,001 m/c 2.
Kot vidite, je izračunani Coriolisov pospešek skoraj 10.000-krat manjši od gravitacijskega pospeška.
