عندما تدرس الفيزياء عملية حركة الأجسام في الأطر المرجعية غير بالقصور الذاتي ، يجب على المرء أن يأخذ في الاعتبار ما يسمى بتسارع كوريوليس. في المقالة سوف نعطيها تعريفًا ، ونوضح سبب حدوثها وأين تتجلى على الأرض.
ما هو تسارع كوريوليس؟
للإجابة على هذا السؤال بإيجاز ، يمكننا القول أن هذا هو التسارع الذي يحدث نتيجة عمل قوة كوريوليس. يتجلى الأخير عندما يتحرك الجسم في إطار مرجعي دوار غير بالقصور الذاتي.
تذكر أن الأنظمة غير بالقصور الذاتي تتحرك مع التسارع أو الدوران في الفضاء. في معظم المشاكل الفيزيائية ، يُفترض أن يكون كوكبنا إطارًا مرجعيًا بالقصور الذاتي ، نظرًا لأن سرعة دورانه الزاوية صغيرة جدًا. ومع ذلك ، عند النظر في هذا الموضوع ، يُفترض أن الأرض ليست بالقصور الذاتي.
هناك قوى وهمية في الأنظمة غير بالقصور الذاتي. من وجهة نظر المراقب في نظام غير بالقصور الذاتي ، تنشأ هذه القوى دون أي سبب. على سبيل المثال ، قوة الطرد المركزيمزيف. لا ينتج ظهوره عن تأثيره على الجسم ، ولكن بسبب وجود خاصية القصور الذاتي فيه. الأمر نفسه ينطبق على قوة كوريوليس. إنها قوة وهمية ناتجة عن خصائص القصور الذاتي للجسم في إطار مرجعي دوار. يرتبط اسمها باسم الفرنسي غاسبار كوريوليس ، الذي قام بحسابها لأول مرة.
قوة كوريوليس واتجاهات الحركة في الفضاء
بعد التعرف على تعريف تسارع كوريوليس ، دعونا الآن نفكر في سؤال محدد - في أي اتجاهات تحدث حركة الجسم في الفضاء بالنسبة لنظام الدوران.
لنتخيل قرصًا يدور في مستوى أفقي. يمر محور الدوران العمودي عبر مركزه. دع الجسم يرتاح على القرص بالنسبة له. في حالة السكون ، تعمل عليه قوة طرد مركزي ، موجهة على طول نصف القطر من محور الدوران. إذا لم تكن هناك قوة جاذبة تعارضها ، فإن الجسم سيطير من القرص.
افترض الآن أن الجسم بدأ في التحرك عموديًا لأعلى ، أي بالتوازي مع المحور. في هذه الحالة ، ستكون سرعة الدوران الخطية حول المحور مساوية لسرعة القرص ، أي لن تحدث قوة كوريوليس.
إذا بدأ الجسم في عمل حركة شعاعية ، أي أنه بدأ في الاقتراب أو الابتعاد عن المحور ، تظهر قوة كوريوليس ، والتي سيتم توجيهها بشكل عرضي إلى اتجاه دوران القرص. يرتبط مظهره بالحفاظ على الزخم الزاوي ووجود اختلاف معين في السرعات الخطية لنقاط القرص الموجودة علىمسافات مختلفة من محور الدوران
أخيرًا ، إذا تحرك الجسم بشكل عرضي إلى القرص الدوار ، فستظهر قوة إضافية تدفعه إما باتجاه محور الدوران أو بعيدًا عنه. هذا هو المكون الشعاعي لقوة كوريوليس.
بما أن اتجاه تسارع كوريوليس يتزامن مع اتجاه القوة المدروسة ، فإن هذا التسارع سيحتوي أيضًا على مكونين: شعاعي وعرضي.
صيغة القوة والتسارع
القوة والتسارع وفقًا لقانون نيوتن الثاني مرتبطان ببعضهما البعض بالعلاقة التالية:
F=مأ.
إذا أخذنا في الاعتبار المثال أعلاه بجسم وقرص دوار ، فيمكننا الحصول على صيغة لكل مكون من مكونات قوة كوريوليس. للقيام بذلك ، قم بتطبيق قانون الحفاظ على الزخم الزاوي ، وكذلك تذكر صيغة تسارع الجاذبية والتعبير عن العلاقة بين السرعة الزاوية والخطية. باختصار ، يمكن تعريف قوة كوريوليس على النحو التالي:
F=-2م[ωv].
هنا م هي كتلة الجسم ، v هي سرعتها الخطية في إطار غير بالقصور الذاتي ، ω هي السرعة الزاوية للإطار المرجعي نفسه. ستأخذ صيغة تسريع كوريوليس المقابلة الشكل:
a=-2[ωv].
المنتج المتجه للسرعات موجود بين قوسين مربعين. يحتوي على إجابة السؤال حيث يتم توجيه تسارع كوريوليس. يتم توجيه متجهها عموديًا على كل من محور الدوران والسرعة الخطية للجسم. هذا يعني أن المدروسةيؤدي التسارع إلى انحناء مسار مستقيم للحركة
تأثير قوة كوريوليس على رحلة قذيفة مدفع
لفهم كيفية تجسيد القوة المدروسة بشكل أفضل في الممارسة العملية ، ضع في اعتبارك المثال التالي. دع المدفع ، كونه عند خط الطول الصفري وخط العرض الصفري ، يطلق النار مباشرة في اتجاه الشمال. إذا لم تدور الأرض من الغرب إلى الشرق ، فإن اللب سوف يسقط عند خط طول 0 درجة. ومع ذلك ، بسبب دوران الكوكب ، فإن اللب سوف يسقط على خط طول مختلف ، ويتحول إلى الشرق. هذه نتيجة تسارع كوريوليس.
شرح التأثير الموصوف بسيط. كما تعلم ، فإن النقاط الموجودة على سطح الأرض ، جنبًا إلى جنب مع الكتل الهوائية فوقها ، لها سرعة دوران خطية كبيرة إذا كانت تقع عند خطوط عرض منخفضة. عند الإقلاع من المدفع ، كان لللب سرعة خطية عالية للدوران من الغرب إلى الشرق. هذه السرعة تجعله ينجرف باتجاه الشرق عند الطيران على خطوط عرض أعلى.
تأثير كوريوليس وتيارات البحر والجو
يظهر تأثير قوة كوريوليس بوضوح في مثال التيارات المحيطية وحركة الكتل الهوائية في الغلاف الجوي. وهكذا ، فإن تيار الخليج ، الذي يبدأ في جنوب أمريكا الشمالية ، يعبر المحيط الأطلسي بأكمله ويصل إلى شواطئ أوروبا بسبب التأثير الملحوظ.
بالنسبة للكتل الهوائية ، فإن الرياح التجارية ، التي تهب من الشرق إلى الغرب على مدار السنة في خطوط العرض المنخفضة ، هي مظهر واضح لتأثير قوة كوريوليس.
مثال على المشكلة
صيغةتسارع كوريوليس. من الضروري استخدامه لحساب مقدار التسارع الذي يكتسبه الجسم ، يتحرك بسرعة 10 م / ث ، عند خط عرض 45 درجة.
لاستخدام معادلة التسارع بالنسبة لكوكبنا ، يجب أن تضيف إليها الاعتماد على خط العرض θ. ستبدو صيغة العمل كما يلي:
a=2ωvالخطيئة (θ).
تم حذف علامة الطرح لأنها تحدد اتجاه التسارع وليس معامله. للأرض ω=7.310-5rad / s. بالتعويض عن جميع الأرقام المعروفة في الصيغة ، نحصل على:
a=27، 310-5 10الخطيئة (45o)=0.001 م / ج2.
كما ترى ، فإن تسارع كوريوليس المحسوب يقل بحوالي 10000 مرة عن تسارع الجاذبية.
