Сила Кориолиса
Си́ла Кориоли́ — одна из сил инерции,
существующая в неинерциальной
системе отсчёта из-за вращения
и законов инерции,
проявляющаяся при движении в направлении
под углом к оси вращения. Названа по имени
французского учёного Гюстава Гаспара
Кориоли, впервые её описавшего.
Ускорение Кориоли было получено Кориолисом
в 1833 году, Гауссом
в 1803 году
и Эйлером
в 1765 году.
Инерциа́льная систе́ма отсчёта
(ИСО) — система отсчёта,
в которой справедлив закон инерции: все свободные тела (то есть
такие, на которые не действуют внешние
силы или действие этих сил компенсируется)
движутся прямолинейно и равномерно или
покоятся[1].
Неинерциа́льная систе́ма
отсчёта — произвольная система отсчёта,
не являющаяся инерциальной. Примеры неинерциальных
систем отсчета: система, движущаяся прямолинейно
с постоянным ускорением, а также вращающаяся система.
Причина появления
силы Кориоли — в кориолисовом (поворотном)
ускорении. В инерциальных
системах отсчёта действует закон инерции,
то есть, каждое тело стремится двигаться
по прямой и с постоянной скоростью.
Если рассмотреть движение тела, равномерное
вдоль некоторого вращающегося радиуса
и направленное от центра, то станет ясно,
что чтобы оно осуществилось, требуется
придавать телу ускорение,
так как чем дальше от центра, тем должна
быть больше касательная скорость вращения.
Это значит, что с точки зрения вращающейся
системы отсчёта, некая сила будет пытаться
сместить тело с радиуса.
Для
того, чтобы тело двигалось с кориолисовым
ускорением, необходимо приложение силы
к телу, равной F = ma,
где a — кориолисово ускорение. Соответственно,
тело действует по третьему закону Ньютона (Действию всегда есть равное и противоположное
противодействие, иначе — взаимодействия
двух тел друг на друга равны и направлены
в противоположные стороны.) с силой противоположной направленности. FK = − ma. Сила, которая действует со
стороны тела, и будет называться силой
Кориоли. Не следует путать Кориолисову
силу с другой силой инерции — центробежной
силой, которая направлена по радиусу
вращающейся окружности.
Если вращение происходит
по часовой стрелке, то двигающееся от
центра вращения тело будет стремиться
сойти с радиуса влево. Если вращение происходит
против часовой стрелки — то вправо.
Сила Кориолиса равна:
,
где
— точечная масса,
— вектор угловой скорости вращающейся системы отсчёта,
— вектор скорости движения точечной
массы в этой системе отсчёта, квадратными
скобками обозначена операция векторного
произведения.
Величина
называется кориолисовым ускорением.
Сила Кориолиса в
природе
Сила Кориолиса, вызванная вращением
Земли, может быть замечена при наблюдении
за движением маятника Фуко[1].
Кроме того, 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[2] (см. Закон Бэра). В Южном полушарии всё происходит
наоборот. Сила Кориолиса ответственна
также и за вращение циклонов и антициклонов[3] (см. геострофический
ветер).
Если бы рельсы были бы идеальными,
то при движении железнодорожных составов
с севера на юг и с юга на север, под воздействием
силы Кориолиса один рельс изнашивался
бы сильнее, чем второй. В северном полушарии
больше изнашивается правый, а в южном
левый.
Силу Кориолиса необходимо
учитывать при рассмотрении планетарных
движений воды в океане. Она является причиной возникновения гироскопических
волн[4].
При идеальных условиях сила
Кориолиса определяет направление закручивания
воды например, при сливе в раковине. Однако
идеальные условия трудно достижимы. Поэтому
феномен «обратного закручивания
воды при стоке» является скорее околонаучной
шуткой.
Обратное закручивание
воды при стоке — околонаучный миф, основанный на неверном применении эффекта Кориолиса к движению воды в водовороте,
возникающем при её стоке в сливное отверстие
раковины или ванны. Суть мифа состоит
в том, что вода якобы закручивается в
разных направлениях в Южном и Северном полушариях Земли, что якобы объясняется вращением Земли и действием силы Кориолиса. В действительности же и в
Южном, и в Северном полушарии воронка
в раковине может закручиваться как по
часовой, так и против часовой стрелки.
Это связано с тем, что для данного явления число Россби ( Число Россби — безразмерное
число, используемое для описания потока. Названо
в честь Карла
Густава Россби. Является отношением между силой
инерции и силой
Кориолиса. В уравнении
Навье — Стокса — это члены
(сила
инерции) и
(сила
Кориолиса).[1][2] Часто используется для описания геофизических
явлений в океане и атмосфере, где характеризует
важность ускорения
Кориолиса, вызываемого вращением Земли. Также
известно как «число Кибеля».) слишком велико, то есть масштаб
явления слишком мал, чтобы на него в значительной
степени повлияла сила Кориолиса. Направление
закручивания воды в раковине определяется
формой раковины и конфигурацией канализационной
системы в большей степени, чем силой Кориолиса.
Однако в идеальных условиях, при должной
аккуратности и соответствующих приготовлениях,
можно наблюдать эффект закручивания,
обусловленный только лишь силой Кориолиса,
и в домашних условиях — в Северном полушарии
вода будет закручиваться против часовой
стрелки, а в Южном — по часовой.