Сила Коріоліса

Си́ла Коріоліса (за іменем французького вченого Гаспара-Гюстава Коріоліса) — одна з сил інерції, що існує в системі відліку, що обертається, і виявляється при русі в напрямі під кутом до осі обертання.

В інерціальних системах координат (верхня частина малюнку), чорний об'єкт рухається по прямій. Однак, для спостерігача (червона крапка), що знаходиться в системі координат, що обертається (нижня частина малюнку), рух об'єкта уявляється криволінійним.

Фізична природа

Причина появи сили Коріоліса в коріолісовому прискоренні. Для того, щоб тіло рухалося з коріолісовим прискоренням, необхідне прикладення сили до тіла, рівної F = ma, де а — коріолісове прискорення. Відповідно, тіло діє згідно із третім законом Ньютона з силою протилежної спрямованості. F_K = — ma. Сила, яка діє з боку тіла, і називатиметься силою Коріоліса.

При обертанні диска, далі від центру точки рухаються з більшою дотичною швидкістю, ніж ті, що знаходяться ближче до центру. Якщо ми хочемо перемістити деяке тіло уздовж радіусу, так, щоб воно залишалося на радіусі, то нам доведеться збільшити швидкість тіла, тобто, додати йому прискорення. Якщо наша система відліку обертається разом з диском, то ми відчуємо, що тіло «не хоче» залишатися на радіусі, а прагне зміститися — це і є сила Коріоліса.

У інерціальних системах відліку діє закон інерції, тобто, кожне тіло прагне рухатися по прямій і з постійною швидкістю. Якщо розглянути рух тіла, рівномірний уздовж деякого радіуса, що обертається, і направлений від центру, то стане ясно, що для того щоб він здійснився, потрібно додавати тілу прискорення, оскільки чим далі від центру, тим більше повинна бути дотична швидкість обертання. Це означає, що з погляду системи відліку, що обертається, якась сила намагатиметься змістити тіло з радіуса.

Якщо обертання відбувається за годинниковою стрілкою, то тіло, що рухається від центру обертання, прагне зійти з радіуса вліво. Якщо обертання відбувається проти годинникової стрілки — то вправо.

Коріолісове прискорення

У системі координат, яка обертається навколо осі із кутовою швидкістю ${\displaystyle \mathbf {w} }$, тіло, що рухається із лінійною швидкістю ${\displaystyle \mathbf {v} }$, має прискорення

${\displaystyle \mathbf {a} =-2\mathbf {w} \times \mathbf {v} }$.

Відповідна сила, яка змушує тіло рухатися з таким прискоренням повинна дорівнювати

${\displaystyle \mathbf {F} =-2m\mathbf {w} \times \mathbf {v} }$,

де m — маса тіла.

Коріолісова сила перпендикулярна до осі обертання і до швидкості тіла. Якщо тіло рухається вздовж осі обертання, коріолісової сили не виникає. Найбільше значення коріолісова сила має тоді, коли тіло рухається перпендикулярно до осі обертання.

Прояв Коріолісової сили

Сила Коріоліса виявляється, наприклад, в роботі маятника Фуко. Крім того, оскільки Земля обертається, то сила Коріоліса виявляється і в глобальних масштабах. У Північній півкулі сила Коріоліса направлена вправо від руху, тому західні береги річок в північній півкулі крутіші — їх підмиває вода під дією цієї сили. У Південній півкулі все відбувається навпаки. Сила Коріоліса відповідальна також і за виникнення циклонів і антициклонів. Саме силою Коріоліса пояснюється в три рази більше зношення західної рейки залізничної колії, ніж східної (для північної півкулі і для ділянки залізниці орієнтованої північ-південь).

Всупереч популярній думці, малоймовірно, що сила Коріоліса впливає на напрям закручування води у раковині (ванні), оскільки Земля обертається дуже повільно (один оберт за добу), і ця сила дуже мала.

Див. також

• Спіраль Екмана

Література

1. Persson, A., 1998 (англ.)
2. Phillips, Norman A., 2000 «An Explication of the Coriolis Effect», Bulletin of the American Meteorological Society: Vol. 81, No. 2, pp. 299—303. (англ.)
3. John Marshall & R. Alan Plumb (2007). «Atmosphere, Ocean, and Climate Dynamics»: An Introductory Text. Academic Press. p. 101. . (англ.)

Посилання