Khi vật lý nghiên cứu quá trình chuyển động của các vật thể trong hệ quy chiếu phi quán tính, người ta phải tính đến cái gọi là gia tốc Coriolis. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đưa ra định nghĩa cho nó, chỉ ra lý do tại sao nó xuất hiện và nơi nó biểu hiện trên Trái đất.
Gia tốc Coriolis là gì?
Để trả lời câu hỏi này một cách ngắn gọn, chúng ta có thể nói rằng đây là gia tốc xảy ra do tác dụng của lực Coriolis. Biểu hiện sau khi cơ thể chuyển động trong một hệ quy chiếu quay không quán tính.
Nhắc lại rằng các hệ thống phi quán tính chuyển động với gia tốc hoặc quay trong không gian. Trong hầu hết các bài toán vật lý, hành tinh của chúng ta được giả định là một hệ quy chiếu quán tính, vì vận tốc quay góc của nó quá nhỏ. Tuy nhiên, khi xem xét chủ đề này, Trái đất được giả định là không quán tính.
Có những lực hư cấu trong các hệ thống phi quán tính. Từ quan điểm của một quan sát viên trong một hệ thống phi quán tính, những lực này xuất hiện mà không có lý do gì. Ví dụ, lực ly tâm làgiả mạo. Sự xuất hiện của nó không phải do tác động vào cơ thể, mà là do sự hiện diện của tính chất quán tính trong đó. Điều tương tự cũng áp dụng cho lực lượng Coriolis. Đó là một lực hư cấu gây ra bởi tính chất quán tính của vật thể trong một hệ quy chiếu quay. Tên của nó gắn liền với tên của Gaspard Coriolis, người Pháp, người đầu tiên tính toán nó.
Lực Coriolis và hướng chuyển động trong không gian
Đã làm quen với định nghĩa của gia tốc Coriolis, bây giờ chúng ta hãy xem xét một câu hỏi cụ thể - chuyển động của một vật trong không gian so với một hệ quay sẽ xảy ra theo những hướng nào.
Hãy tưởng tượng một chiếc đĩa quay trong một mặt phẳng nằm ngang. Một trục quay thẳng đứng đi qua tâm của nó. Để cơ thể nằm trên đĩa so với nó. Ở trạng thái nghỉ, một lực ly tâm tác dụng lên nó, hướng dọc theo bán kính từ trục quay. Nếu không có lực hướng tâm chống lại nó, thì vật thể sẽ bay khỏi đĩa.
Bây giờ, giả sử rằng cơ thể bắt đầu chuyển động thẳng đứng lên trên, tức là song song với trục. Trong trường hợp này, tốc độ quay quanh trục của nó sẽ bằng tốc độ quay của đĩa, tức là không xảy ra lực Coriolis.
Nếu cơ thể bắt đầu chuyển động hướng tâm, tức là nó bắt đầu tiến lại gần hoặc di chuyển ra khỏi trục, thì lực Coriolis xuất hiện, lực này sẽ hướng theo phương tiếp tuyến với hướng quay của đĩa. Sự xuất hiện của nó gắn liền với sự bảo toàn momen động lượng và với sự hiện diện của một sự khác biệt nhất định trong vận tốc tuyến tính của các điểm của đĩa, chúng nằm trêncác khoảng cách khác nhau từ trục quay.
Cuối cùng, nếu cơ thể chuyển động theo phương tiếp tuyến với đĩa quay, thì một lực bổ sung sẽ xuất hiện đẩy nó về phía trục quay hoặc ra xa nó. Đây là thành phần hướng tâm của lực Coriolis.
Vì hướng của gia tốc Coriolis trùng với hướng của lực được xem xét, gia tốc này cũng sẽ có hai thành phần: hướng tâm và tiếp tuyến.
Công thức của lực và gia tốc
Lực và gia tốc theo định luật II Newton liên hệ với nhau theo mối quan hệ sau:
F=ma.
Nếu chúng ta xem xét ví dụ trên với một vật thể và một đĩa quay, chúng ta có thể nhận được công thức cho từng thành phần của lực Coriolis. Để làm được điều này, hãy áp dụng định luật bảo toàn momen động lượng, cũng như nhớ lại công thức tính gia tốc hướng tâm và biểu thức liên hệ giữa vận tốc góc và vận tốc thẳng. Tóm lại, lực Coriolis có thể được định nghĩa như sau:
F=-2m[ωv].
Ở đây m là khối lượng của vật thể, v là vận tốc thẳng của nó trong hệ không quán tính, ω là vận tốc góc của chính hệ quy chiếu. Công thức gia tốc Coriolis tương ứng sẽ có dạng:
a=-2[ωv].
Tích vectơ của tốc độ nằm trong dấu ngoặc vuông. Nó chứa câu trả lời cho câu hỏi gia tốc Coriolis hướng đến đâu. Vectơ của nó hướng vuông góc với cả trục quay và vận tốc thẳng của vật. Điều này có nghĩa là nghiên cứugia tốc dẫn đến độ cong của quỹ đạo thẳng của chuyển động.
Ảnh hưởng của lực lượng Coriolis đến chuyến bay của một quả cầu thần công
Để hiểu rõ hơn về cách lực được nghiên cứu biểu hiện trong thực tế, hãy xem xét ví dụ sau. Để khẩu đại bác đang ở kinh tuyến không và vĩ tuyến 0, bắn thẳng về phía bắc. Nếu Trái đất không quay từ tây sang đông, thì lõi sẽ rơi ở kinh độ 0 °. Tuy nhiên, do sự quay của hành tinh, phần lõi sẽ rơi ở một kinh độ khác, bị dịch chuyển về phía đông. Đây là kết quả của sự gia tốc Coriolis.
Giải thích về hiệu ứng được mô tả rất đơn giản. Như bạn đã biết, các điểm trên bề mặt Trái đất, cùng với các khối khí ở trên chúng, có tốc độ quay tuyến tính lớn nếu chúng nằm ở vĩ độ thấp. Khi cất cánh từ khẩu pháo, lõi có tốc độ quay tuyến tính cao từ tây sang đông. Tốc độ này khiến nó trôi về phía đông khi bay ở vĩ độ cao hơn.
Hiệu ứng Coriolis và các dòng biển và không khí
Ảnh hưởng của lực Coriolis được thấy rõ nhất trong ví dụ về các dòng hải lưu và chuyển động của các khối khí trong khí quyển. Do đó, Dòng chảy Vịnh, bắt đầu từ phía nam của Bắc Mỹ, băng qua toàn bộ Đại Tây Dương và đến các bờ biển của Châu Âu do hiệu ứng đã được ghi nhận.
Đối với các khối khí, gió mậu dịch thổi từ đông sang tây quanh năm ở các vĩ độ thấp, là một biểu hiện rõ ràng về ảnh hưởng của lực Coriolis.
Bài toán ví dụ
Công thức choGia tốc Coriolis. Cần sử dụng nó để tính lượng gia tốc mà một vật có được, chuyển động với tốc độ 10 m / s, ở vĩ độ 45 °.
Để sử dụng công thức cho gia tốc liên quan đến hành tinh của chúng ta, bạn nên thêm vào nó sự phụ thuộc vào vĩ độ θ. Công thức hoạt động sẽ giống như sau:
a=2ωvsin (θ).
Dấu trừ đã bị bỏ qua vì nó xác định hướng của gia tốc, không phải môđun của nó. Đối với Trái đất, ω=7,310-5rad / s. Thay tất cả các số đã biết vào công thức, ta được:
a=27, 310-5 10sin (45o)=0,001 m / c 2.
Như bạn thấy, gia tốc Coriolis được tính toán nhỏ hơn gần 10.000 lần so với gia tốc trọng trường.
