Сила Кориолиса в физике¶
Сила Кориолиса — одна из сил инерции, действующая во вращающихся системах отсчёта на тело, движущееся относительно этой системы. Названа в честь французского математика и механика Гаспара-Гюстава Кориолиса, описавшего её в 1835 году. В инерциальной системе отсчёта сила Кориолиса отсутствует; её появление связано исключительно с выбором неинерциальной (вращающейся) системы отсчёта. Величина силы пропорциональна массе тела, его скорости относительно вращающейся системы и угловой скорости вращения самой системы.
¶Определение и формула
В векторной форме сила Кориолиса записывается как:
F = −2m · (ω × v)
где m — масса тела, ω — вектор угловой скорости вращения системы отсчёта, v — скорость тела относительно этой системы, а знак «×» обозначает векторное произведение. Множитель 2 возникает при переходе от инерциальной системы к равномерно вращающейся.
Сила Кориолиса всегда перпендикулярна как вектору скорости тела, так и оси вращения. Поэтому она не совершает работы и не меняет кинетическую энергию тела — она лишь искривляет траекторию, изменяя направление движения, но не его скорость по модулю.
¶Физический смысл
Ключевое свойство силы Кориолиса — её зависимость от скорости движения. Покоящееся относительно вращающейся системы тело силы Кориолиса не испытывает. Это отличает её от центробежной силы, которая действует на тело независимо от того, движется оно или покоится.
Сила Кориолиса относится к так называемым силам инерции — фиктивным силам, вводимым для того, чтобы можно было применять второй закон Ньютона в неинерциальных системах отсчёта. В инерциальной системе наблюдатель объясняет отклонение тела не действием какой-либо силы, а тем, что за время движения тело сместилось, а сама система успела повернуться.
¶Проявления на Земле
Земля вращается вокруг своей оси, поэтому её поверхность представляет собой вращающуюся систему отсчёта, и сила Кориолиса проявляется в ряде природных явлений.
¶Отклонение движущихся тел
Свободно движущиеся тела в Северном полушарии отклоняются вправо по отношению к направлению своего движения, в Южном — влево. Это относится к течениям воздуха и воды, артиллерийским снарядам, рекам, морским течениям. Эффект тем заметнее, чем больше скорость движения и чем ближе к полюсам; на экваторе горизонтальная составляющая силы Кориолиса для движения вдоль поверхности равна нулю.
¶Циклоны и антициклоны
Вращение циклонов и антициклонов напрямую связано с действием силы Кориолиса. В Северном полушарии воздух в циклонах закручивается против часовой стрелки, в Южном — по часовой стрелке. Именно сила Кориолиса придаёт атмосферным вихрям их характерную спиральную структуру.
¶Подмывание берегов рек
У рек, текущих в меридиональном направлении, сила Кориолиса вызывает перекос уровня воды: в Северном полушарии правый берег подмывается сильнее, в Южном — левый. Это явление, называемое законом Бэра, было описано российским естествоиспытателем Карлом Бэром в 1857 году на основе наблюдений за реками России.
¶Маятник Фуко
Эксперимент с маятником Фуко, впервые проведённый в 1851 году в Париже, демонстрирует вращение Земли: плоскость колебаний маятника медленно поворачивается относительно земной поверхности, причём в Северном полушарии — по часовой стрелке. Это прямое следствие силы Кориолиса.
¶История открытия
Отклоняющее действие вращения Земли на движущиеся тела предугадывал ещё итальянский учёный Джованни Баттиста Риччоли в XVII веке, а позже — Пьер-Симон Лаплас и другие исследователи. Однако строгое математическое выражение силы дал Гаспар-Гюстав Кориолис в работе 1835 года, посвящённой относительному движению систем. Термин «сила Кориолиса» закрепился в науке позднее.
¶Применение и значение
Понятие силы Кориолиса используется в метеорологии при расчёте атмосферной циркуляции, в океанографии — при изучении течений, в баллистике — при наведении снарядов на большие дистанции, в геодезии и навигации. В технике эффект Кориолиса применяется в гироскопических приборах и кориолисовых расходомерах, измеряющих массовый расход жидкостей и газов.
¶Распространённые заблуждения
Часто утверждается, что сила Кориолиса определяет направление закручивания воды при сливе из ванны или раковины. В действительности масштаб эффекта для малых объёмов воды ничтожен и полностью перекрывается случайными возмущениями и формой сосуда. Также ошибочно считать силу Кориолиса реальной силой взаимодействия — в инерциальной системе отсчёта она не существует.
¶Критика понятия
В учебной литературе ведутся споры о целесообразности введения сил инерции, включая силу Кориолиса, поскольку они не связаны с взаимодействием тел. Сторонники подхода Ньютона предпочитают описывать движение во вращающихся системах через кинематику, без введения фиктивных сил. Тем не менее в прикладных дисциплинах — метеорологии, океанологии, баллистике — понятие силы Кориолиса удобно и широко применяется.
¶Источники
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Механика»
- Сивухин Д. В. «Общий курс физики»
- Матвеев А. Н. «Механика и теория относительности»
- Материалы по динамике атмосферы и общей метеорологии