როდესაც ფიზიკა სწავლობს სხეულების მოძრაობის პროცესს არაინერციულ მიმართვის სისტემაში, უნდა გავითვალისწინოთ ეგრეთ წოდებული კორიოლისის აჩქარება. სტატიაში მივცემთ მის განმარტებას, ვაჩვენებთ რატომ ხდება და სად ვლინდება იგი დედამიწაზე.
რა არის კორიოლისის აჩქარება?
ამ კითხვაზე მოკლედ რომ ვუპასუხოთ, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ეს არის აჩქარება, რომელიც ხდება კორიოლისის ძალის მოქმედების შედეგად. ეს უკანასკნელი ვლინდება მაშინ, როდესაც სხეული მოძრაობს არაინერციულ მბრუნავ საცნობარო სისტემაში.
შეგახსენებთ, რომ არაინერციული სისტემები მოძრაობენ აჩქარებით ან ბრუნავენ სივრცეში. უმეტეს ფიზიკურ პრობლემებში, ჩვენი პლანეტა მიჩნეულია, რომ არის ინერციული მითითების სისტემა, რადგან მისი ბრუნვის კუთხური სიჩქარე ძალიან მცირეა. თუმცა, ამ თემის განხილვისას, დედამიწა არაინერციულია.
არაინერციულ სისტემებში არსებობს ფიქტიური ძალები. არაინერციულ სისტემაში დამკვირვებლის თვალსაზრისით ეს ძალები ყოველგვარი მიზეზის გარეშე წარმოიქმნება. მაგალითად, ცენტრიდანული ძალა არისყალბი. მისი გარეგნობა გამოწვეულია არა სხეულზე ზემოქმედებით, არამედ მასში ინერციის თვისების არსებობით. იგივე ეხება კორიოლის ძალას. ეს არის ფიქტიური ძალა, რომელიც გამოწვეულია სხეულის ინერციული თვისებებით მბრუნავ საცნობარო სისტემაში. მის სახელს უკავშირდება ფრანგი გასპარ კორიოლისის სახელი, რომელმაც პირველად გამოთვალა.
კორიოლისის ძალა და მოძრაობის მიმართულებები სივრცეში
მას შემდეგ რაც გავეცანით კორიოლისის აჩქარების განმარტებას, ახლა განვიხილავთ კონკრეტულ კითხვას - რა მიმართულებით ხდება სხეულის მოძრაობა სივრცეში მბრუნავ სისტემასთან მიმართებაში.
წარმოვიდგინოთ დისკი, რომელიც ბრუნავს ჰორიზონტალურ სიბრტყეში. ბრუნვის ვერტიკალური ღერძი გადის მის ცენტრში. ნება მიეცით სხეული დაისვენოს მასთან შედარებით დისკზე. დასვენების დროს მასზე მოქმედებს ცენტრიდანული ძალა, რომელიც მიმართულია ბრუნვის ღერძიდან რადიუსის გასწვრივ. თუ არ არსებობს ცენტრიდანული ძალა, რომელიც ეწინააღმდეგება მას, მაშინ სხეული გაფრინდება დისკიდან.
ახლა დავუშვათ, რომ სხეული იწყებს მოძრაობას ვერტიკალურად ზემოთ, ანუ ღერძის პარალელურად. ამ შემთხვევაში, მისი ღერძის გარშემო ბრუნვის წრფივი სიჩქარე უდრის დისკის სიჩქარეს, ანუ კორიოლისის ძალა არ წარმოიქმნება.
თუ სხეულმა დაიწყო რადიალური მოძრაობა, ანუ დაიწყო ღერძთან მიახლოება ან დაშორება, მაშინ ჩნდება კორიოლისის ძალა, რომელიც ტანგენციურად იქნება მიმართული დისკის ბრუნვის მიმართულებაზე. მისი გარეგნობა ასოცირდება კუთხური იმპულსის შენარჩუნებასთან და გარკვეული განსხვავების არსებობასთან დისკის წერტილების ხაზოვან სიჩქარეებში, რომლებიც მდებარეობსსხვადასხვა მანძილი ბრუნვის ღერძიდან.
საბოლოოდ, თუ სხეული ტანგენციურად მოძრაობს მბრუნავ დისკზე, მაშინ გამოჩნდება დამატებითი ძალა, რომელიც მას ან ბრუნვის ღერძისკენ უბიძგებს, ან მისგან შორს. ეს არის კორიოლისის ძალის რადიალური კომპონენტი.
რადგან კორიოლისის აჩქარების მიმართულება ემთხვევა განხილული ძალის მიმართულებას, ამ აჩქარებას ასევე ექნება ორი კომპონენტი: რადიალური და ტანგენციალური.
ძალისა და აჩქარების ფორმულა
ძალა და აჩქარება ნიუტონის მეორე კანონის შესაბამისად დაკავშირებულია ერთმანეთთან შემდეგი ურთიერთობით:
F=ma.
თუ განვიხილავთ ზემოთ მოცემულ მაგალითს სხეულისა და მბრუნავი დისკის შესახებ, შეგვიძლია მივიღოთ ფორმულა კორიოლისის ძალის თითოეული კომპონენტისთვის. ამისათვის გამოიყენეთ კუთხური იმპულსის შენარჩუნების კანონი, ასევე გაიხსენეთ ცენტრიდანული აჩქარების ფორმულა და კუთხური და წრფივი სიჩქარის ურთიერთკავშირის გამოხატულება. მოკლედ, კორიოლისის ძალა შეიძლება განისაზღვროს შემდეგნაირად:
F=-2m[ωv].
აქ m არის სხეულის მასა, v არის მისი წრფივი სიჩქარე არაინერციულ ჩარჩოში, ω არის თავად საცნობარო ჩარჩოს კუთხური სიჩქარე. კორიოლისის შესაბამისი აჩქარების ფორმულა მიიღებს ფორმას:
a=-2[ωv].
სიჩქარების ვექტორული ნამრავლი კვადრატულ ფრჩხილებშია. ის შეიცავს პასუხს კითხვაზე, თუ სად არის მიმართული კორიოლისის აჩქარება. მისი ვექტორი მიმართულია როგორც ბრუნვის ღერძის, ისე სხეულის წრფივი სიჩქარის პერპენდიკულურად. ეს ნიშნავს, რომ შესწავლილიაჩქარება იწვევს მოძრაობის სწორხაზოვანი ტრაექტორიის გამრუდებას.
კორიოლისის ძალის გავლენა ქვემეხის ფრენაზე
იმისათვის, რომ უკეთ გავიგოთ, როგორ ვლინდება შესწავლილი ძალა პრაქტიკაში, განიხილეთ შემდეგი მაგალითი. ნება მიეცით ქვემეხს, რომელიც არის ნულოვან მერიდიანზე და ნულოვან განედზე, ისვრის პირდაპირ ჩრდილოეთისკენ. თუ დედამიწა არ ბრუნავდა დასავლეთიდან აღმოსავლეთისკენ, მაშინ ბირთვი დაეცემა 0° გრძედით. თუმცა, პლანეტის ბრუნვის გამო, ბირთვი დაეცემა სხვა გრძედით, გადაინაცვლებს აღმოსავლეთით. ეს არის კორიოლისის აჩქარების შედეგი.
აღწერილი ეფექტის ახსნა მარტივია. მოგეხსენებათ, დედამიწის ზედაპირზე არსებულ წერტილებს, მათ ზემოთ ჰაერის მასებთან ერთად, აქვთ დიდი წრფივი ბრუნვის სიჩქარე, თუ ისინი განლაგებულია დაბალ განედებზე. ქვემეხიდან აფრენისას ბირთვს ჰქონდა ბრუნვის მაღალი წრფივი სიჩქარე დასავლეთიდან აღმოსავლეთისკენ. ეს სიჩქარე იწვევს მას აღმოსავლეთისკენ გადაადგილებას, როდესაც ფრენა მაღალ განედებზე.
კორიოლისის ეფექტი და ზღვის და ჰაერის ნაკადები
კორიოლისის ძალის ეფექტი ყველაზე ნათლად ჩანს ოკეანის დინებისა და ატმოსფეროში ჰაერის მასების მოძრაობის მაგალითზე. ამგვარად, გოლფსტრიმი, რომელიც იწყება ჩრდილოეთ ამერიკის სამხრეთიდან, კვეთს მთელ ატლანტის ოკეანეს და აღნიშნული ეფექტის გამო აღწევს ევროპის სანაპიროებს.
რაც შეეხება ჰაერის მასებს, სავაჭრო ქარები, რომლებიც მთელი წლის განმავლობაში ქრის აღმოსავლეთიდან დასავლეთისკენ დაბალ განედებზე, კორიოლისის ძალის გავლენის აშკარა გამოვლინებაა.
პრობლემის მაგალითი
ფორმულაკორიოლისის აჩქარება. მისი გამოყენება აუცილებელია აჩქარების რაოდენობის გამოსათვლელად, რომელსაც სხეული იძენს, მოძრაობს 10 მ/წმ სიჩქარით, 45 ° განედზე.
ჩვენს პლანეტასთან მიმართებაში აჩქარების ფორმულის გამოსაყენებლად, მას უნდა დაამატოთ დამოკიდებულება გრძედზე θ. სამუშაო ფორმულა ასე გამოიყურება:
a=2ωvsin(θ).
მინუს ნიშანი გამოტოვებულია, რადგან ის განსაზღვრავს აჩქარების მიმართულებას და არა მის მოდულს. დედამიწისთვის ω=7.310-5რადი/წმ. ყველა ცნობილი რიცხვის ფორმულაში ჩანაცვლებით, მივიღებთ:
a=27, 310-510sin(45o)=0.001 მ/c 2.
როგორც ხედავთ, კორიოლისის გამოთვლილი აჩქარება თითქმის 10000-ჯერ ნაკლებია გრავიტაციულ აჩქარებაზე.
