На околонаучных форумах с удивительной периодичностью разгораются нешуточные дебаты о том, что же такое сила Кориолиса и каковы ее видимые проявления. Несмотря на почтенный возраст открытия - явление было описано еще в 1833 году - некоторые люди иногда путаются в выводах. Например, так как чаще всего сила Кориолиса связывается с явлениями в океанах и атмосфере, то на просторах Интернета можно встретить утверждение, согласно которому подмыв берегов рек происходит с правой стороны, а в Южном размывающее действие воды оказывается преимущественно на левые берега. Одни утверждают, что данное явление создает сила Кориолиса. Их оппоненты объясняют все иначе: из-за вращения планеты твердая поверхность смещается немного быстрее (менее инерционна), чем масса воды и из-за этой разницы происходим подмыв. Хотя в какой-то части происходящих в океане процессов, действительно, «виновна» сила Кориолиса. Сложность в определении ее из комплекса других воздействий. Кориолисовое проявление, как и взаимодействия, потенциально.
Давайте определимся, что же это за сила и почему представляет такой интерес. Так как нашу планету можно считать неинерциальной системой (движется и вращается), то любой процесс, рассматриваемый относительно ее, должен учитывать инерцию. Обычно для пояснения этого используют особый маятник длиной свыше 50 м и массой в десятки килограмм. Кроме того, относительно неподвижного наблюдателя, стоящего на полу, плоскость, в которой маятник качается, вращается по окружности. Если значение скорости вращения планеты окажется выше, чем маятника, то его условная плоскость будет смещаться в сторону Северного полушария, вращаясь в обратную, относительно хода часов, сторону. Верно и обратное: повышение периода выше, чем скорость вращения Земли, приведет к смещению в направлении хода часовых стрелок. Так происходит из-за того, что вращение планеты создает в системе маятника поворотное ускорение, вектор которого смещает плоскость качения.
Для объяснения, можно воспользоваться примером из жизни. Наверняка, каждый, будучи ребенком, катался на карусели, представляющей собой вращающийся с какой-то большой диск. Представим себе две точки на таком диске: одна вблизи центральной оси (А), а вторая - на ближнем к краю радиусе (Б). Если человек, находящийся в точке А, решит переместиться в точку Б, то, на первый взгляд, наиболее оптимальной будет прямая линия А-Б, фактически, являющаяся радиусом диска. Но с каждым шагом человека точка Б смещается, так как диск продолжает вращаться. В результате, если продолжать двигаться вдоль намеченной линии-радиуса, то при достижении радиуса точки Б, ее там уже не окажется из-за смещения. Если же человек будет корректировать свой путь в соответствии с действительным положением Б, то траектория представит собой кривую линию, волну, вершина которой будет направлена против направления вращения. Однако существует способ пройти от А к Б по прямой линии: для этого требуется увеличить скорость передвижения, сообщив телу (человеку) ускорение. С увеличением расстояния А-Б для сохранения необходимо все все больший импульс скорости. Отличие описываемой силы от центробежной в том, что направление последней совпадает с радиусом на вращающейся окружности.
Итак, на перемещение по вращающемуся объекту оказывает действие сила Кориолиса. Формула ее следующая:
F = 2*v*m*cosFi,
где m - масса двигающегося тела; v - скорость перемещения; cosFi - величина, учитывающая угол между направлением движения и осью вращения.
Или, в векторном представлении:
где а - ускорение кориолиса. Знак «-» возникает потому, что сила со стороны движущегося тела противоположна направленности.
Появление кориолисовой силы можно обнаружить на следующем примере. Возьмем горизонтально расположенный диск, который может вращаться вокруг вертикальной оси. Прочертим на диске радиальную прямую ОА (рис. 4.10).
Рис. 4.10
Запустим в направлении от О к А шарик со скоростью . Если диск не вращается, шарик должен катиться вдоль ОА . Если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик будет катиться по кривой ОВ , причем его скорость относительно диска быстро изменяет свое направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него действовала сила , перпендикулярная направлению движения шарика.
Сила Кориолиса не является «настоящей» в смысле механики Ньютона. При рассмотрении движений относительно инерциальной системы отсчета такая сила вообще не существует. Она вводится искусственно при рассмотрении движений в системах отсчета, вращающихся относительно инерциальных, чтобы придать уравнениям движения в таких системах формально такой же вид, что и в инерциальных системах отсчета.
Чтобы заставить шарик катиться вдоль ОА , нужно сделать направляющую, выполненную в виде ребра. При качении шарика направляющее ребро действует на него с некоторой силой. Относительно вращающейся системы (диска), шарик движется с постоянной по направлению скоростью. Это можно объяснить тем, что эта сила уравновешивается приложенной к шарику силой инерции:
| (4.5.5) |
Сила Кориолиса вызывает кориолисово ускорение . Выражение для этого ускорения имеет вид
| (4.5.6) |
Следовательно, в общем случае, при использовании уравнений Ньютона во вращающейся системе отсчета, возникает необходимость учитывать центробежную, центростремительную силы инерции, а также кориолисову силу.
Таким образом, всегда лежит в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. Сила Кориолиса возникает только в случае, когда тело изменяет свое положение по отношению к вращающейся системе отсчета.
Влияние кориолисовых сил необходимо учитывать в ряде случаев при истолковании явлений, связанных с движением тел относительно земной поверхности. Например, при свободном падении тел на них действует кориолисова сила, обусловливающая отклонение к востоку от линии отвеса. Эта сила максимальна на экваторе и обращается в нуль на полюсах. Летящий снаряд также испытывает отклонения, обусловленные кориолисовыми силами инерции. Например, при выстреле из орудия, направленного на север, снаряд будет отклоняться к востоку в северном полушарии и к западу – в южном. При стрельбе вдоль экватора силы Кориолиса будут прижимать снаряд к Земле, если выстрел произведен в восточном направлении.
Сила Кориолиса действует на тело, движущееся вдоль меридиана в северном полушарии вправо и в южном – влево (рис. 4.11).
Это приводит к тому, что у рек подмывается всегда правый берег в северном полушарии и левый – в южном. Эти же причины объясняют неодинаковый износ рельсов железнодорожных путей.
Силы Кориолиса проявляются и при качаниях маятника (маятник Фуко). Для простоты предположим, что маятник расположен на полюсе (рис. 4.12). На северном полюсе сила Кориолиса будет направлена вправо по ходу маятника. В итоге траектория движения маятника будет иметь вид розетки.
Как следует из рисунка, плоскость качаний маятника поворачивается относительно Земли в направлении часовой стрелки, причем за сутки она совершает один оборот. Относительно гелиоцентрической системы отсчета дело обстоит так: плоскость качаний остается неизменной, а Земля поворачивается относительно нее, делая за сутки один оборот.
Таким образом, вращение плоскости качаний маятника Фуко дает непосредственное доказательство вращения Земли вокруг своей оси.
Эффект от силы Кориолиса вступает в заметную силу когда производятся стрельба на очень дальние дистанции как представленная на картинке. Движение Земли вокруг своей оси двигает цель во время полета пули.
Когда вы находитесь на стрельбище, земля на которой вы стоите, кажется стабильной. Но на самом деле это большая сфера, летящая в космосе и одновременно вращающаяся по своей оси, с одним полным оборотом в 24 часа. Вращение земли может создавать проблемы для стрелков на сверхдальние дистанции. Во время продолжительного полета пули, вращение планеты вызывает наглядное отклонение цели от траектории пули при стрельбе на очень дальние дистанции. Это называется корреляционный эффект или эффект корреляции в баллистике.
Брайен Литц (Bryan Litz) из Прикладной Баллистики (Applied Ballistics) выпустил небольшое видео где он объясняет эффект силы Кориолиса. Брайан подмечает что этот эффект " очень незначителен. Стрелки любят возвышать его силу, так как он кажется очень таинственным. " В большинстве случаев при стрельбе до ~ 1000 м., сила Кориолиса не важна в учете. Если пользоваться Американской системой ввода поправок (1/4 MOA угловой минута = ~1" дюйм на 100 ярдов) на 1000 ярдов (914,4 м.) эффект можно будет скорректировать на прицеле одним щелчком (для большинства патронов). Даже после отметки в 1000 ярдов в условиях повышенного ветра, эффект силы Кориолиса может быть " потерян в общем шуме ". Но в очень благоприятных условиях стрельбы без ветра на дальние дистанции, Брайен утверждает что можно получить преимущество в точности используя баллистические решения с учетом корреляционного эффекта.
Браен продолжает: " Эффект силы Кориолиса...связан с вращение Земли. Вы по сути стреляете из одной точки в другую на вращающейся сфере, в инерционной системе координат. Последствия будут такие что если время полета пули будет достаточно продолжительным, пуля будет сносится от своей предполагаемой цели. Количество этого сноса очень мало - оно зависит от географической широты и направления стрельбы относительно планеты. "
Эффект силы Кориолиса очень трудно уловим. Со средним баллистическим коэффициентом и скоростью, у вас будет свободная дистанция до 1000 ярдов, до того как можно будет сделать поправку в один щелчок на прицеле. Брайан говорит: " эффект корреляции это НЕ то о чем следует думать при стрельбе по движущейся цели, это НЕ то о чем следует думать при стрельбе с сильным ветром, так как есть условия которые будут иметь более очевидное влияние, а эффект силы Кориолиса будет отвлекать вас от них. "
" Где действительно можно задуматься об использовании данного эффекта, использовать его на постоянной основе и он будет влиять на ваши показатели - это при стрельбе на сверхдальние дистанции по относительно малым целям в условиях малого ветра. Когда вы знаете скорость пули и баллистический коэффициент очень хорошо и есть безупречные условия, тогда вы заметите влияние силы Кориолиса. Вы получите больше отдачи в вашей деятельности, если будете учитывать эту силу только в вышеприведенных случаях. Но в большинстве случаев практической стрельбы на дальние дистанции, сила Кориолиса НЕ так важна. Что действительно важно это понять ваши приоритеты в стрельбе и учет их в процессе."
Вопрос 7. Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции, понятие о принципе эквивалентности.
Системы отсчета, движущиеся с ускорением относительно инерциальной системы отсчета, называются неинерциальными .
Сила инерции - это сила, используемая для описания движения при переходе в неинерциальных системах отсчета (то есть при движении с ускорением). Эта сила равна по величине силе, вызывающей ускорение, но направлена в сторону, противоположную ускорению. Именно поэтому в ускоряющемся транспорте сила инерции тянет пассажиров назад, а в тормозящем транспорте - наоборот, вперед.
Сила инерции - векторная величина, численно равная произведению массы m материальной точки на модуль её ускорения и направленная противоположно ускорению.
Существует 2 главные разновидности сил инерции: кориолисова сила и переносная сила инерции. Переносная сила инерции состоит из 3 слагаемых
M
-
поступательная сила инерции
m
2
r
-
центробежная
сила инерции
M[
r]-
вращательная сила инерции
В динамике относительным движением называется движение по отношению к неинерциальной системе отсчёта, для которой законы механики Ньютона несправедливы. Чтобы уравнения относительного движения материальной точки сохранили тот же вид, что и в инерциальной системе отсчёта, надо к действующей на точку силе взаимодействия с другими телами F присоединить переносную силу инерции F пер = –m a пер и Кориолиса силу инерции F kop = –m a kop , где m - масса точки. Тогда
m a oтн = F + F пер + F kop
ma o тн = F –ma kop –ma пер
m
a
oтн
= F+2
m
[
V
отн
]-
mV
0
+
m
2
r
-
m
[
r
]
F
kop
= –m
a
kop =2m[
V
отн
]-кориолисова
сила
F
пер
= –m
a
пер =
-m
m
2
r
-
m
[
r
]
-
переносная
сила инерции.
Примеры. Математический маятник, расположенный на движущейся с ускорением тележке. Маятник Любимова.
Центробежная сила инерции – сила, с которой движущаяся материальная точка действует на тела (связи), стесняющие свободу её движения и вынуждающие её двигаться криволинейно. (или Сила, с которой связь действует на материальную точку, равномерно движущуюся по окружности, в системе отсчета, связанной с этой точкой.)
F ц.б.=
,
R-
радиус кривизны траектории.
Рис.
К понятию центробежной силы инерции.
Центробежная сила направлена от центра кривизны траектории по её главной нормали (при движении по окружности по радиусу от центра окружности).
Центробежная сила - это тоже сила инерции - она направлена против центростремительной силы, вызывающей круговое движение.
Центробежная сила и центростремительная сила равны по величине, направлены противоположно.
Сила Кориолиса - одна из сил инерции, вводимая для учёта влияния вращения подвижной системы отсчёта на относительное движение тела.
При движении тела относительно вращающейся системы отсчета появляется сила инерции, называемая силой Кориолиса или кориолисовой силой инерции. Проявление силы Кориолиса можно рассмотреть на диске, вращающемся вокруг вертикальной оси (рис.1).
На диске нанесена радиальная прямая ОА и находится движущийся со скоростью V в направлении от О к А шарик. Если диск не вращается, шарик будет катиться вдоль прочерченной прямой. Если же диск привести в равномерное вращение с угловой скоростью , то шарик будет катиться по кривой ОВ, причем его скорость V относительно диска будет изменять свое направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него (перпендикулярно к его скорости) действовала какая-то сила, которая, однако, не вызвана взаимодействием шарика с каким-либо телом. Это - сила инерции, названная силой Кориолиса. Величина этой силы пропорциональна массе тела m, относительной скорости движения тела V и угловой скорости вращения системы w: Fк=2mVw.
Сила
Кориолиса Fc лежит в плоскости
диска: она перпендикулярна векторам V и и
направлена в сторону, определяемую
векторным произведением [V]:
.
Сила Кориолиса как сила инерции направлена противоположно кориолисову ускорению a к:
Если
векторы V и параллельны,
то сила Кориолиса обращается в нуль.
Проявление действия силы Кориолиса:
Размытие правых берегов рек, текущих на юг в северном полушарии;
Движение маятника Фуко;
Наличие дополнительного бокового давления на рельсы, а, следовательно, их неравномерный износ, возникающих при движении поездов.
Сила Кориолиса проявляется, например, в работе маятника Фуко. Кроме того, поскольку Земля вращается, то сила Кориолиса проявляется и в глобальных масштабах. В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в северном полушарии более крутые - их подмывает вода под действием этой силы. В южном полушарии всё происходит наоборот. Сила Кориолиса ответственна также и за возникновение циклонов и антициклонов.
Принцип эквивалентности Эйнштейна.
Поле силы инерции эквивалентно однородному полю силы тяжести. Это утверждение представляет собой принцип эквивалентности Эйнштейна.
Принципом эквивалентности и формулируется так: сила тяжести по своему физическому действию не отличается от равной ей по величине силе инерции.
Из принципа Эйнштейна вытекает эквивалентность инертной и гравитационной масс в ограниченной области пространства. В ограниченной, поскольку поле гравитационных сил в общем случае не является однородным (сила взаимодействия уменьшается по мере удаления тел друг от друга).
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
