A Coriolis-erő az egyik tehetetlenségi erő , amelyet egy anyagi pont forgó vonatkoztatási rendszerhez viszonyított mozgásának figyelembevételére használnak . Ha a Coriolis-erőt hozzáadjuk az anyagi pontra ható fizikai erőkhöz , akkor figyelembe vesszük a vonatkoztatási rendszer forgásának hatását egy ilyen mozgásra [1] .
Nevét Gaspard-Gustave de Coriolis francia tudósról kapta, aki először egy 1835 -ben megjelent cikkében írta le [2] [3] . Néha olyan véleményeket fogalmaznak meg, hogy Pierre-Simon Laplace volt az első, aki 1775 -ben kapott matematikai kifejezést az erőre [4] , és a mozgó tárgyak eltérítésének hatását a forgó vonatkoztatási rendszerekben Giovanni Battista Riccioli és Francesco Maria Grimaldi írta le 1651-ben. [5] .
A "Coriolis-effektus" kifejezés gyakran a Coriolis-erő megnyilvánulásának legfontosabb esetét jelenti - amely a Föld napi forgásával összefüggésben fordul elő . Mivel a Föld forgásának szögsebessége kicsi (1 forgás naponta ), ez az erő általában kicsi a többi erőhöz képest . A hatások általában csak a nagy távolságokon, hosszú időn keresztül bekövetkező mozgások esetén válnak észrevehetővé, mint például a légkörben bekövetkező nagymértékű légmozgás (örvényciklonok ) vagy a víz az óceánban ( Golf-áramlat ). Az ilyen mozgások általában a Föld felszíne mentén történnek, ezért gyakran csak a Coriolis-erő vízszintes összetevője fontos számukra. A Föld felszíne mentén (a pólusoktól az egyenlítőig) mozgó objektumok az északi féltekén jobbra (a mozgás irányához képest), a déli féltekén balra térnek el. A vízszintes elhajlás hatása erősebb a pólusok közelében, mivel a lokális függőleges tengely körüli effektív forgási sebesség ott nagyobb, az Egyenlítő közelében pedig nullára csökken .
Legyen bármely tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben (ISR) egy rá merőleges tengely körül egyenletesen forgó sugár. Ha egy anyagi pont (MT) e sugár mentén a forgás középpontjától a sugárhoz képest állandó sebességgel mozog, akkor a forgásközépponttól való távolság növekedésével együtt az IFR-ben a forgásközépponttól számított sebességkomponens a sugárra merőlegesen irányított test is növekszik. Ezért ebben az esetben a pont gyorsulási összetevője , amely a sugárra merőleges, nem nulla. Az MT gyorsulásnak ez az összetevője az inerciális referenciarendszerben a Coriolis-gyorsulás .
Ha ugyanazt a mozgást vesszük figyelembe a sugárral együtt forgó nem inerciális vonatkoztatási rendszerben (NIRS), a megfigyelt kép más lesz. Valójában ebben a vonatkoztatási rendszerben az MT sebessége nem változik, és ennek megfelelően a gyorsulásának a sugárra merőleges összetevője nulla. Ez azt jelenti, hogy a mozgás úgy néz ki, mintha egy forgó vonatkoztatási rendszerben további erő hatna az MT-re, amely a Coriolis-gyorsulással ellentétes irányban irányul és kompenzálja azt. Ez a további "erő", amelyet a mozgás leírásának megkönnyítése érdekében vezettek be, de valójában hiányzik, a Coriolis-erő . Nyilvánvaló, hogy ez az „erő” lehetővé teszi, hogy figyelembe vegyük a mozgó referenciakeret forgásának az MT relatív mozgására gyakorolt hatását, ugyanakkor nem felel meg az MT semmilyen valós interakciójának másokkal. testek [6] .
Pontosabban, a Coriolis-gyorsulás a koordináta-rendszer forgási szögsebességének és az MT mozgásának a forgó koordináta-rendszerhez viszonyított sebességvektorának megkétszerezett vektorszorzata [7] . Ennek megfelelően a Coriolis-erő egyenlő az MT tömeg és a Coriolis-gyorsulás szorzatával, mínusz előjellel [1] .
Legyen két vonatkoztatási rendszer, amelyek közül az egyik inerciális, a másik pedig az elsőhöz képest tetszőleges módon mozog, és általános esetben nem tehetetlen. Figyelembe vesszük egy tetszőleges anyagi tömegpont mozgását is . Jelöljük a gyorsulását az első vonatkoztatási rendszerhez képest, és a másodikhoz képest - .
A gyorsulások és a gyorsulások közötti kapcsolat a Coriolis-tételből következik (lásd alább) [8] :
ahol a transzlációs gyorsulás, és a Coriolis-gyorsulás (Coriolis-gyorsulás, forgási gyorsulás). Emlékezzünk vissza, hogy a transzlációs gyorsulás a rendszer azon pontjának gyorsulása ahhoz a rendszerhez képest , amelyben a vizsgált anyagi pont jelenleg található [9] .
Miután megszoroztuk egy pont tömegével és figyelembe vesszük Newton második törvényét , ez az arány a következőképpen ábrázolható:
Az értéket a hordozható tehetetlenségi erőnek , az értéket pedig Coriolis-erőnek (Coriolis-erő) nevezzük. Jelölve őket és rendre, írhatunk
Az eredményül kapott kifejezés a dinamika alaptörvényét fejezi ki nem inerciális vonatkoztatási rendszerekre.
A kinematikából ismert, hogy
ahol egy nem inerciális vonatkoztatási rendszer forgási szögsebessége , a vizsgált anyagi pont mozgási sebessége ebben a vonatkoztatási rendszerben; Szögletes zárójelek jelölik a vektorszorzat műveletet . Ezt szem előtt tartva, a Coriolis haderő számára
Megjegyzések
Végezzen összetett mozgást a pont : egy nem inerciális vonatkoztatási rendszerhez képest sebességgel mozog ; ebben az esetben maga a rendszer mozog a tehetetlenségi koordinátarendszerhez képest , és a háromdimenziós térben tetszőleges módon mozgó pillanatnyi sebességközéppont lineáris sebessége egyenlő , a rendszer forgási szögsebessége pedig a sebességek pillanatnyi középpontja egyenlő . A sebességek pillanatnyi középpontját az Euler-forgástétel segítségével találjuk meg.
Ekkor a vizsgált pont abszolút sebessége (vagyis a tehetetlenségi koordináta-rendszerbeli lineáris sebessége) a következő lesz:
, ráadásulahol a pont sugárvektora a pillanatnyi sebességközépponthoz viszonyítva . Az egyenlőség jobb oldalán lévő első két tag a pont hordozható sebességét jelenti, az utolsó pedig a relatív sebességét .
Megkülönböztetjük ezt az egyenlőséget az idő függvényében:
Keressük meg az egyes tagok értékét az inerciális koordinátarendszerben:
ahol a pont lineáris gyorsulása a rendszerhez képest, a rendszer szöggyorsulása .
Így a következőkkel rendelkezünk:
Az így kapott egyenlőség a Coriolis-tétel matematikai kifejezéseként szolgál : Egy pont abszolút gyorsulása összetett mozgásban egyenlő a hordozható gyorsulásának geometriai összegével (az első három tag összege a jobb oldalon), a relatív gyorsulással ( negyedik tag) és további Coriolis-gyorsulás (utolsó tag), egyenlő .
A és a jelöléssel megkapjuk a Coriolis-tételt tömörebb formában:
Maga Coriolis 1835-ben más formában fejezte ki eredményeit, figyelembe véve a transzlációs és Coriolis tehetetlenségi erőket; a Coriolis-tétel ma már általánosan elfogadott tisztán kinematikai megfogalmazását Henri Aimé Rezal javasolta 1862-ben [15] .
Egy inerciális referenciakeret origóhoz viszonyított forgómozgásának adott esetben ahhoz, hogy egy pont egy nem inerciális referenciakerethez viszonyítva egyenesen mozogjon a sugár mentén a forgástengelyhez képest (lásd az ábrát), szükséges olyan erőt alkalmazni, amely a Coriolis-erő , a hordozható forgóerő és a referenciarendszer transzlációs mozgásának hordozható tehetetlenségi erejének ellentétes összege lesz . A gyorsulási komponens nem téríti el a testet ettől az egyenestől, mivel ez egy éles hordozható gyorsulás , és mindig ezen egyenes mentén irányul. Valóban, ha egy ilyen mozgás egyenletét tekintjük, akkor a benne lévő fent említett erők kompenzálása után az egyenletet kapjuk , amelyet ha vektorosan megszorozunk -val , akkor figyelembe véve viszonylag differenciálegyenletet kapunk , amelynek bármely és általános megoldása van, amely egy ilyen egyenes egyenlete - .
N. E. Zsukovszkij egy kényelmes módot javasolt a Coriolis-gyorsulás megtalálására:
A Coriolis-gyorsulás úgy érhető el, hogy a pont relatív sebességvektorát a transzlációs szögsebesség-vektorra merőleges síkra vetítjük , a kapott vetületet 90-szeresére növeljük és 90 fokkal elfordítjuk a transzlációs forgás irányába.
Hagyja, hogy egy pont sebességgel mozogjon egy egyenes mentén az inerciális vonatkoztatási rendszer koordinátáinak középpontjába (lásd az ábrát).
Ezután ez a mozgás a forgásközéppont távolságának változásához vezet, és ennek következtében a nem inerciális vonatkoztatási rendszer pontjának abszolút sebessége, amely egybeesik a mozgó ponttal - a hordozható sebessége.
Mint tudjuk, ez a sebesség egyenlő
Ez a változás a következő lesz:
Az idő szerinti megkülönböztetés után azt kapjuk
(Ennek a gyorsulásnak az iránya merőleges a és -ra ).
Másrészt egy olyan pont vektora, amely a tehetetlenségi térhez képest mozdulatlan marad, egy szöget fog elforgatni a nem inerciális térhez képest . Vagy a sebességnövekedés lesz
Ennek megfelelően a második gyorsulás a következő lesz:
A teljes gyorsulás lesz
Amint látható, a referenciarendszer szögsebessége nem változott, a lineáris sebesség hozzá képest nem változik, és megmarad , azonban a gyorsulás nem egyenlő nullával.
Ha a test merőlegesen mozog a forgásközép irányára, akkor a bizonyítás hasonló lesz. A sebességvektor forgásából adódó gyorsulás megmarad
és a gyorsulás is hozzáadódik a pont centripetális gyorsulásának megváltoztatása következtében.
A Coriolis-erő figyelembevételének bevezetése azért történik, hogy a testek mozgását le lehessen írni nem inerciális vonatkoztatási rendszerben olyan egyenletekkel, amelyek formailag egybeesnek Newton második törvényének egyenletével . Ugyanakkor a Coriolis-erő semmilyen módon nem kapcsolódik a vizsgált test más testekkel való kölcsönhatásához, és minden tulajdonságát csak kinematikai körülmények határozzák meg, egy konkrét nem inerciális vonatkoztatási rendszer megválasztása miatt. Ezzel kapcsolatban azt mondják a Coriolis-erőről, hogy az nem fizikai erő , és pszeudoerőnek nevezik [16] .
A Coriolis-erő nem invariáns az egyik vonatkoztatási rendszerből a másikba való átmenet során. Nem engedelmeskedik a cselekvés és a reakció törvényének . Egy test mozgása a Coriolis-erő hatására hasonló a külső erőtérben történő mozgáshoz. A Coriolis-erő mindig külső az anyagi testek rendszerének bármely mozgásához képest.
Ha egy forgó laboratóriumnak – nem inerciális vonatkoztatási rendszernek tekintve – véges tehetetlenségi nyomatéka van , akkor a szögnyomaték megmaradásának törvénye szerint , amikor a test a forgástengelyre merőleges sugár mentén mozog, a A forgási szögsebesség nő (ha a test a középpont felé mozog) vagy csökken (ha a testet a középpontból mozgatja). Tekintsük ezt a helyzetet egy nem inerciarendszer szemszögéből.
Jó példa erre egy személy, aki sugárirányban mozog egy forgó körhintán (például kapaszkodva egy középre vezető korlátba). Ugyanakkor az ember szempontjából a középpont felé haladva a centrifugális erő ellen dolgozik (ez a munka a körhinta forgási energiájának növelésére megy). Hatással lesz rá a Coriolis-erő is, amely hajlamos eltéríteni a mozgását a sugárirányból (oldalra „fújja”), és a sodródást ellensúlyozva (keresztirányú erőt fejt ki a kapaszkodóra) megpörgeti a körhinta.
A középpontból való elmozduláskor a centrifugális erő megdolgoztatja az embert (azáltal, hogy csökkenti a forgási energiát), a Coriolis erő ellenhatása pedig lelassítja a körhintat.
A Coriolis-erő legfontosabb esete a Föld napi forgásához köthető . Mivel a Föld forog, a Földhöz kötött rendszerekben lévő objektumok mozgásának helyes elemzéséhez figyelembe kell venni a Coriolis-erőt. A Föld forgása okozta Coriolis-erőt a Foucault-inga mozgásának megfigyelésével láthatjuk [17] .
Az északi féltekén a mozgó vonatra ható Coriolis-erő a sínekre merőlegesen irányul, vízszintes összetevője van, és a vonatot a menetirányban jobbra tolja. Emiatt a vonat jobb oldalán elhelyezkedő kerekek karimái a sínekhez nyomódnak. Ezen túlmenően, mivel a Coriolis-erő minden kocsi tömegközéppontjára hat , olyan nyomatékot hoz létre , amely miatt a kerekekre ható normál reakcióerő a jobb sín oldaláról a sín felületére merőleges irányban hat. csökken, és az oldalról ható hasonló erő csökkenti a bal sínt. Nyilvánvaló, hogy Newton 3. törvénye értelmében a kocsik nyomóereje a jobb oldali sínre is nagyobb, mint a bal oldalira [18] . Az egyvágányú vasúton a vonatok általában mindkét irányban közlekednek, így a Coriolis-erő hatása mindkét sínre azonos. Más a helyzet a kétvágányú utakon. Az ilyen utakon a vonatok minden vágányon csak egy irányba haladnak, aminek következtében a Coriolis-erő hatása oda vezet, hogy a jobb oldali sínek menetirányban jobban elkopnak, mint a bal oldaliak. Nyilvánvaló, hogy a déli féltekén a Coriolis-erő irányának változása miatt a bal oldali sínek jobban kopnak [19] . Az egyenlítőn nincs hatás, mivel ebben az esetben a Coriolis-erő függőlegesen (az Egyenlítő mentén haladva) vagy nullával egyenlő (amikor a meridián mentén halad).
Ráadásul a Coriolis-erő globális szinten is megnyilvánul. Ahelyett, hogy közvetlenül a magas nyomásról az alacsony nyomásra áramolnának, ahogyan ez egy nem forgó rendszerben történne, a szelek és az áramlatok az északi féltekén ettől az iránytól jobbra, a déli féltekén pedig ettől az iránytól balra áramlanak. Ezért az északi féltekén a folyók jobb partjai meredekebbek – ennek az erőnek a hatására a víz elmossa őket [20] (lásd Beer törvénye ). A déli féltekén ennek az ellenkezője igaz. A Coriolis-erő felelős a ciklonok és anticiklonok [21] forgásáért is (lásd geosztrofikus szél ): az északi féltekén a légtömegek forgása ciklonokban az óramutató járásával ellentétes, anticiklonokban az óramutató járásával megegyező irányban történik; délen - ellenkezőleg: ciklonokban az óramutató járásával megegyező irányba, anticiklonokban pedig ellen. A szelek ( passzátszelek ) eltérülése a légköri keringés során szintén a Coriolis-erő megnyilvánulása.
A Coriolis-erőt figyelembe kell venni az óceánban lévő víz bolygómozgásának mérlegelésekor . Ez okozza a giroszkópos hullámok [22] , Rossby-hullámok megjelenését .
Ideális körülmények között a Coriolis-erő határozza meg a víz örvénylésének irányát – például egy mosogató leeresztésekor (a „ víz örvénylésének fordított örvénylésének jelensége leeresztéskor ”). A gyakorlatban a víz örvénylési irányának félgömbtől való függése csak az egyenlítőtől távol végzett, gondosan megtervezett kísérletekben nyilvánul meg, amelyek szigorúan szimmetrikus edényeket használnak, mérés előtt sok órányi folyadék ülepedést, valamint a külső körülmények (hőmérséklet-stabilitás) ellenőrzését. és légáramlások hiánya) [23] . Az ilyen ideális feltételektől való eltérések nagyobb befolyást gyakorolnak az örvénylő víz irányára, mint a Coriolis-erő.