Wanneer fisika die proses van beweging van liggame in nie-traagheidsverwysingsraamwerke bestudeer, moet 'n mens die sogenaamde Coriolis-versnelling in ag neem. In die artikel sal ons dit 'n definisie gee, wys hoekom dit voorkom en waar dit op Aarde manifesteer.
Wat is Coriolis-versnelling?
Om hierdie vraag kortliks te beantwoord, kan ons sê dat dit die versnelling is wat plaasvind as gevolg van die werking van die Coriolis-krag. Laasgenoemde manifesteer homself wanneer die liggaam in 'n nie-traagheidsroterende verwysingsraamwerk beweeg.
Onthou dat nie-traagheidsstelsels met versnelling beweeg of in die ruimte roteer. In die meeste fisiese probleme word aanvaar dat ons planeet 'n traagheidsverwysingsraamwerk is, aangesien sy hoeksnelheid van rotasie te klein is. Wanneer hierdie onderwerp egter oorweeg word, word aanvaar dat die aarde nie-traagheid is.
Daar is fiktiewe kragte in nie-traagheidsstelsels. Uit die oogpunt van 'n waarnemer in 'n nie-traagheidsisteem, ontstaan hierdie kragte sonder enige rede. Byvoorbeeld, sentrifugale krag isvals. Die voorkoms daarvan word nie veroorsaak deur die impak op die liggaam nie, maar deur die teenwoordigheid van die eienskap van traagheid daarin. Dieselfde geld vir die Coriolis-krag. Dit is 'n fiktiewe krag wat veroorsaak word deur die traagheidseienskappe van die liggaam in 'n roterende verwysingsraamwerk. Sy naam word geassosieer met die naam van die Fransman Gaspard Coriolis, wat dit eerste bereken het.
Coriolis-krag en bewegingsrigtings in die ruimte
Nadat ons kennis gemaak het met die definisie van Coriolis-versnelling, kom ons kyk nou na 'n spesifieke vraag - in watter bewegingsrigtings van 'n liggaam in die ruimte relatief tot 'n roterende sisteem vind dit plaas.
Kom ons stel ons 'n skyf voor wat in 'n horisontale vlak roteer.’n Vertikale rotasie-as gaan deur sy middelpunt. Laat die liggaam rus op die skyf relatief tot dit. In rus werk 'n sentrifugale krag daarop in, gerig langs die radius vanaf die rotasie-as. As daar geen sentripetale krag is wat dit teenstaan nie, dan sal die liggaam van die skyf af vlieg.
Gestel nou dat die liggaam vertikaal opwaarts begin beweeg, dit wil sê parallel met die as. In hierdie geval sal sy lineêre spoed van rotasie om die as gelyk wees aan dié van die skyf, dit wil sê, geen Coriolis-krag sal plaasvind nie.
As die liggaam 'n radiale beweging begin maak, dit wil sê, dit begin nader of wegbeweeg van die as af, dan verskyn die Coriolis-krag, wat tangensiaal aan die rotasierigting van die skyf gerig sal wees. Die voorkoms daarvan word geassosieer met die behoud van hoekmomentum en met die teenwoordigheid van 'n sekere verskil in die lineêre snelhede van die punte van die skyf, wat opverskillende afstande vanaf die rotasie-as.
Laastens, as die liggaam tangensiaal na die roterende skyf beweeg, sal 'n bykomende krag verskyn wat dit óf na die rotasie-as óf daarvandaan sal stoot. Dit is die radiale komponent van die Coriolis-krag.
Aangesien die rigting van die Coriolis-versnelling saamval met die rigting van die beskoude krag, sal hierdie versnelling ook twee komponente hê: radiaal en tangensiaal.
Formule van krag en versnelling
Krag en versnelling in ooreenstemming met Newton se tweede wet word met mekaar verwant deur die volgende verwantskap:
F=ma.
As ons die voorbeeld hierbo met 'n liggaam en 'n roterende skyf oorweeg, kan ons 'n formule kry vir elke komponent van die Coriolis-krag. Om dit te doen, pas die wet van behoud van hoekmomentum toe, en onthou ook die formule vir sentripetale versnelling en die uitdrukking vir die verband tussen hoek- en lineêre snelheid. Opsommend kan die Coriolis-krag soos volg gedefinieer word:
F=-2m[ωv].
Hier is m die massa van die liggaam, v is sy lineêre snelheid in 'n nie-traagheidsraam, ω is die hoeksnelheid van die verwysingsraam self. Die ooreenstemmende Coriolis-versnellingsformule sal die vorm aanneem:
a=-2[ωv].
Die vektorproduk van die snelhede is tussen vierkantige hakies. Dit bevat die antwoord op die vraag waarheen die Coriolis-versnelling gerig is. Sy vektor is loodreg op beide die rotasie-as en die lineêre snelheid van die liggaam gerig. Dit beteken dat die bestudeerversnelling lei tot 'n kromming van 'n reglynige bewegingstrajek.
Invloed van die Coriolis-mag op die vlug van 'n kanonkogel
Om beter te verstaan hoe die bestudeerde krag hom in die praktyk manifesteer, oorweeg die volgende voorbeeld. Laat die kanon, wat op die nulmeridiaan en nul-breedtegraad is, reguit na die noorde skiet. As die Aarde nie van wes na oos roteer nie, sou die kern op 0° lengtegraad val. As gevolg van die rotasie van die planeet sal die kern egter op 'n ander lengtegraad val, na die ooste verskuif. Dit is die resultaat van die Coriolis-versnelling.
Die verduideliking van die beskryf effek is eenvoudig. Soos u weet, het punte op die aarde se oppervlak, tesame met lugmassas bo hulle, 'n groot lineêre rotasiespoed as hulle op lae breedtegrade geleë is. Met die opstyg van die kanon het die kern 'n hoë lineêre spoed van rotasie van wes na oos gehad. Hierdie spoed laat dit ooswaarts dryf wanneer hy op hoër breedtegrade vlieg.
Coriolis-effek en see- en lugstrome
Die effek van die Coriolis-krag word die duidelikste gesien in die voorbeeld van seestrome en die beweging van lugmassas in die atmosfeer. Dus, die Golfstroom, wat in die suide van Noord-Amerika begin, kruis die hele Atlantiese Oseaan en bereik die kus van Europa as gevolg van die opgemerkte effek.
Wat lugmassas betref, is die passaatwinde, wat die hele jaar in lae breedtegrade van oos na wes waai, 'n duidelike manifestasie van die invloed van die Coriolis-krag.
Voorbeeldprobleem
Die formule virCoriolis versnelling. Dit is nodig om dit te gebruik om die hoeveelheid versnelling te bereken wat 'n liggaam verkry, beweeg teen 'n spoed van 10 m/s, op 'n breedtegraad van 45 °.
Om die formule vir versnelling met betrekking tot ons planeet te gebruik, moet jy die afhanklikheid van breedtegraad θ daarby voeg. Die werkformule sal soos volg lyk:
a=2ωvsin(θ).
Die minusteken is weggelaat omdat dit die rigting van versnelling definieer, nie die modulus daarvan nie. Vir die Aarde ω=7.310-5rad/s. Deur alle bekende getalle in die formule te vervang, kry ons:
a=27, 310-510sin(45o)=0,001 m/ c 2.
Soos jy kan sien, is die berekende Coriolis-versnelling amper 10 000 keer minder as die gravitasieversnelling.
