เมื่อฟิสิกส์ศึกษากระบวนการเคลื่อนที่ของร่างกายในกรอบอ้างอิงที่ไม่เฉื่อย เราต้องคำนึงถึงสิ่งที่เรียกว่าอัตราเร่งโคริโอลิสด้วย ในบทความเราจะให้คำจำกัดความ แสดงว่าเหตุใดจึงเกิดขึ้นและปรากฏที่ใดบนโลก
การเร่ง Coriolis คืออะไร
เพื่อตอบคำถามนี้สั้น ๆ เราสามารถพูดได้ว่านี่คือความเร่งที่เกิดขึ้นจากการกระทำของแรงโคริโอลิส หลังปรากฏขึ้นเมื่อร่างกายเคลื่อนที่ในกรอบอ้างอิงที่ไม่หมุนเฉื่อย
จำได้ว่าระบบไม่เฉื่อยเคลื่อนที่ด้วยความเร่งหรือหมุนในอวกาศ ในปัญหาทางกายภาพส่วนใหญ่ ถือว่าโลกของเราเป็นกรอบอ้างอิงเฉื่อย เนื่องจากความเร็วเชิงมุมของการหมุนรอบนั้นน้อยเกินไป อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาถึงหัวข้อนี้ โลกจะถือว่าไม่เฉื่อย
ในระบบที่ไม่ใช่เฉื่อยมีแรงสมมติขึ้น จากมุมมองของผู้สังเกตในระบบที่ไม่เฉื่อย แรงเหล่านี้เกิดขึ้นโดยไม่มีเหตุผล ตัวอย่างเช่น แรงเหวี่ยงหนีศูนย์คือปลอม. ลักษณะของมันไม่ได้เกิดจากการกระทบต่อร่างกาย แต่เกิดจากการมีอยู่ของคุณสมบัติของความเฉื่อยในตัวมัน เช่นเดียวกับแรงโคริโอลิส เป็นแรงสมมติที่เกิดจากคุณสมบัติเฉื่อยของวัตถุในกรอบอ้างอิงที่หมุนได้ ชื่อของมันมีความเกี่ยวข้องกับชื่อของชาวฝรั่งเศส แกสปาร์ด โคริโอลิส ซึ่งเป็นคนแรกที่คำนวณมัน
แรงโคลิโอลิสและทิศทางการเคลื่อนที่ในอวกาศ
เมื่อทำความคุ้นเคยกับคำจำกัดความของการเร่งความเร็วโคริโอลิสแล้ว ให้เราพิจารณาคำถามเฉพาะ - ทิศทางการเคลื่อนที่ของร่างกายในอวกาศที่สัมพันธ์กับระบบการหมุนนั้นเกิดขึ้นได้อย่างไร
ลองนึกภาพจานหมุนในระนาบแนวนอนกัน แกนหมุนแนวตั้งเคลื่อนผ่านจุดศูนย์กลาง ปล่อยให้ร่างกายพักผ่อนบนดิสก์โดยสัมพันธ์กับมัน ในช่วงเวลาที่เหลือ แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจะกระทำกับมัน โดยพุ่งไปตามรัศมีจากแกนหมุน หากไม่มีแรงสู่ศูนย์กลางที่ต่อต้าน ร่างกายก็จะบินออกจากดิสก์
ตอนนี้ สมมติว่าร่างกายเริ่มเคลื่อนขึ้นในแนวตั้ง นั่นคือ ขนานกับแกน ในกรณีนี้ ความเร็วเชิงเส้นของการหมุนรอบแกนจะเท่ากับความเร็วของจาน นั่นคือ จะไม่มีแรงโคริโอลิสเกิดขึ้น
ถ้าร่างกายเริ่มเคลื่อนไหวในแนวรัศมี นั่นคือ มันเริ่มเข้าใกล้หรือเคลื่อนตัวออกจากแกน จากนั้นแรง Coriolis จะปรากฏขึ้น ซึ่งจะพุ่งไปในแนวสัมผัสตามทิศทางการหมุนของดิสก์ การปรากฏตัวของมันเกี่ยวข้องกับการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุมและมีความแตกต่างบางอย่างในความเร็วเชิงเส้นของจุดของดิสก์ซึ่งตั้งอยู่บนระยะห่างจากแกนหมุนต่างกัน
สุดท้าย หากร่างกายเคลื่อนที่ตามสัมผัสไปยังจานหมุน แรงเพิ่มเติมจะปรากฏขึ้นเพื่อดันร่างกายไปทางแกนหมุนหรือออกห่างจากแกนหมุน นี่คือองค์ประกอบรัศมีของแรงโคริโอลิส
เนื่องจากทิศทางของการเร่งความเร็วโคลิโอลิสเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของแรงที่พิจารณา ความเร่งนี้จึงมีองค์ประกอบสองส่วน: แนวรัศมีและแนวแกน
สูตรแรงและความเร่ง
แรงและความเร่งตามกฎข้อที่สองของนิวตันสัมพันธ์กันโดยความสัมพันธ์ต่อไปนี้:
F=ma.
หากเราพิจารณาตัวอย่างข้างต้นด้วยตัวเครื่องและจานหมุน เราจะสามารถหาสูตรสำหรับแต่ละองค์ประกอบของแรงโคริโอลิสได้ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ให้ใช้กฎการอนุรักษ์โมเมนตัมเชิงมุม รวมทั้งระลึกถึงสูตรความเร่งสู่ศูนย์กลางและนิพจน์สำหรับความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วเชิงมุมกับความเร็วเชิงเส้น โดยสรุปแรงโคริโอลิสสามารถกำหนดได้ดังนี้:
F=-2m[ωv].
ที่นี่ m คือมวลของวัตถุ v คือความเร็วเชิงเส้นในกรอบที่ไม่เฉื่อย ω คือความเร็วเชิงมุมของกรอบอ้างอิงเอง สูตรเร่งความเร็ว Coriolis ที่สอดคล้องกันจะอยู่ในรูปแบบ:
a=-2[ωv].
ผลคูณของความเร็วอยู่ในวงเล็บเหลี่ยม มีคำตอบสำหรับคำถามที่เน้นไปที่การเร่งความเร็วของโบลิทาร์ เวกเตอร์ของมันถูกตั้งฉากกับทั้งแกนของการหมุนและความเร็วเชิงเส้นของวัตถุ ซึ่งหมายความว่าผู้ที่ศึกษาความเร่งนำไปสู่ความโค้งของวิถีการเคลื่อนที่เป็นเส้นตรง
อิทธิพลของแรงโคริโอลิสต่อการบินของลูกกระสุนปืนใหญ่
เพื่อให้เข้าใจมากขึ้นว่าแรงที่ศึกษาแสดงออกมาอย่างไรในทางปฏิบัติ ให้พิจารณาตัวอย่างต่อไปนี้ ให้ปืนใหญ่ซึ่งอยู่ที่เส้นแวงศูนย์และละติจูดศูนย์ ยิงตรงไปทางทิศเหนือ ถ้าโลกไม่หมุนจากตะวันตกไปตะวันออก แกนกลางก็จะตกลงมาที่เส้นแวง 0 องศา อย่างไรก็ตาม เนื่องจากการหมุนของดาวเคราะห์ แกนกลางจะตกลงมาที่ลองจิจูดที่ต่างกัน โดยเคลื่อนตัวไปทางทิศตะวันออก นี่คือผลลัพธ์ของการเร่งความเร็วของโบลิทาร์
คำอธิบายของเอฟเฟกต์ที่อธิบายนั้นง่าย อย่างที่คุณทราบ จุดบนพื้นผิวโลกพร้อมกับมวลอากาศที่อยู่เหนือจุดเหล่านี้ มีความเร็วในการหมุนเชิงเส้นสูง หากพวกมันอยู่ที่ละติจูดต่ำ เมื่อถอดจากปืนใหญ่ แกนกลางมีความเร็วเชิงเส้นในการหมุนสูงจากตะวันตกไปตะวันออก ความเร็วนี้ทำให้บินไปทางตะวันออกเมื่อบินในละติจูดที่สูงขึ้น
ผลกระทบโบลิทาร์และกระแสน้ำและอากาศ
ผลของแรงโคริโอลิสเห็นได้ชัดเจนที่สุดในตัวอย่างกระแสน้ำในมหาสมุทรและการเคลื่อนที่ของมวลอากาศในชั้นบรรยากาศ ดังนั้นกระแสน้ำกัลฟ์สตรีมซึ่งเริ่มต้นในตอนใต้ของทวีปอเมริกาเหนือข้ามมหาสมุทรแอตแลนติกทั้งหมดและไปถึงชายฝั่งของยุโรปเนื่องจากผลกระทบดังกล่าว
สำหรับมวลอากาศ ลมค้าขายซึ่งพัดจากตะวันออกไปตะวันตกตลอดทั้งปีในละติจูดต่ำ แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงอิทธิพลของแรงโคริโอลิส
ตัวอย่างปัญหา
สูตรสำหรับการเร่งความเร็วของโคริโอลิส จำเป็นต้องใช้เพื่อคำนวณปริมาณความเร่งที่ร่างกายได้มาซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็ว 10 m / s ที่ละติจูด 45 °
ในการใช้สูตรความเร่งที่สัมพันธ์กับโลกของเรา คุณควรเพิ่มการพึ่งพาละติจูด θ เข้าไปด้วย สูตรการทำงานจะมีลักษณะดังนี้:
a=2ωvsin(θ).
เครื่องหมายลบถูกละไว้เพราะมันกำหนดทิศทางของการเร่งความเร็ว ไม่ใช่โมดูลัสของมัน เพื่อโลก ω=7.310-5rad/s. แทนที่ตัวเลขที่รู้จักทั้งหมดลงในสูตร เราจะได้
a=27, 310-510sin(45o)=0.001 ลบ.ม./ c 2.
อย่างที่คุณเห็น ความเร่งโคริโอลิสที่คำนวณได้นั้นน้อยกว่าความเร่งโน้มถ่วงเกือบ 10,000 เท่า
