Википедия

Кориолисово ускорение

Си́ла Кориоли́са — одна из сил инерции, использующаяся при рассмотрении движения материальной точки относительно вращающейся системы отсчёта. Добавление силы Кориолиса к действующим на материальную точку физическим силам позволяет учесть влияние вращения системы отсчёта на такое движение.

image
Рис. 1 Левая картинка: Траектория мяча, брошенного с края вращающегося диска, как ее видит внешний наблюдатель. Из-за вращения мяч имеет как начальную тангенциальную скорость, так и радиальную скорость, заданную бросающим. Эти скорости уносят его вправо от центра. Правая картинка: Траектория мяча, брошенного с края вращающегося диска, как ее видит бросающий, вращающийся наблюдатель. Она отклоняется от прямой линии.
image
Рис. 2. Траектории шарика при движении без трения по поверхности вращающейся тарелки в разных системах отсчёта (вверху — в инерциальной по прямой, внизу — в неинерциальной, вращающейся вместе с тарелкой).

Названа по имени французского учёного Гаспа́ра-Гюста́ва де Кориоли́са, впервые описавшего её в статье, опубликованной в 1835 году. Иногда высказываются мнения, что первым математическое выражение для силы получил Пьер-Симон Лаплас в 1775 году, а эффект отклонения движущихся объектов во вращающихся системах отсчёта был описан Джованни Баттиста Риччоли и Франческо Мария Гримальди в 1651 году.

Часто под термином «эффект Кориолиса» подразумевается наиболее важный случай проявления силы Кориолиса — который возникает в связи с суточным вращением Земли. Так как угловая скорость вращения Земли мала (1 оборот в день), эта сила, как правило, мала по сравнению с другими силами. Эффекты обычно становятся заметными только для движений, происходящих на больших расстояниях при длительных периодах времени, таких как крупномасштабное движение воздуха атмосферы (вихреобразные циклоны) или воды в океане (Гольфстрим). Такие движения, как правило, происходят вдоль поверхности Земли, поэтому для них часто важна только горизонтальная составляющая силы Кориолиса. Она заставляет движущиеся (от полюсов к экватору) вдоль поверхности Земли объекты отклоняться вправо (по отношению к направлению движения) в северном полушарии и влево в южном. Эффект горизонтального отклонения сильнее близ полюсов, так как эффективная скорость вращения вокруг локальной вертикальной оси значительнее там и уменьшается до нуля у экватора.

Предварительное рассмотрение

Пусть в какой-либо инерциальной системе отсчёта (ИСО) имеется радиус, равномерно вращающийся вокруг перпендикулярной к нему оси. Если вдоль этого радиуса в направлении от центра вращения с постоянной относительно радиуса скоростью движется материальная точка (МТ), то вместе с увеличением расстояния от центра вращения, в ИСО возрастает и компонента скорости тела, направленная перпендикулярно радиусу. Значит, в данном случае компонента ускорения точки, перпендикулярная радиусу, отлична от нуля. Эта компонента ускорения МТ в инерциальной системе отсчёта и представляет собой ускорение Кориолиса.

При рассмотрении того же самого движения в неинерциальной системе отсчёта (НИСО), вращающейся вместе с радиусом, наблюдаемая картина будет другой. Действительно, в этой системе отсчёта скорость МТ не изменяется и, соответственно, компонента её ускорения, перпендикулярная радиусу, равна нулю. Значит, движение выглядит так, как будто во вращающейся системе отсчёта на МТ действует дополнительная сила, направленная противоположно ускорению Кориолиса и компенсирующая его. Эта дополнительная «сила», вводимая для удобства описания движения, но в действительности отсутствующая, и есть сила Кориолиса. Понятно, что данная «сила» позволяет учесть влияние вращения подвижной системы отсчёта на относительное движение МТ, но при этом никакому реальному взаимодействию МТ с другими телами не соответствует.

Более строго — ускорение Кориолиса есть удвоенное векторное произведение вектора угловой скорости вращения системы координат на вектор скорости движения МТ относительно вращающейся системы координат. Соответственно, сила Кориолиса равна произведению массы МТ на её ускорение Кориолиса, взятому со знаком минус.

Определение

Пусть имеются две системы отсчёта, одна из которых image инерциальная, а другая image движется относительно первой произвольным образом и в общем случае является неинерциальной. Будем также рассматривать движение произвольной материальной точки массы image. Её ускорение по отношению к первой системе отсчёта обозначим image, а по отношению ко второй — image.

Связь между ускорениями image и image следует из теоремы Кориолиса (см. ниже):

image

где image — перено́сное ускорение, а image — ускорение Кориолиса (кориолисово ускорение, поворотное ускорение). Напомним, что переносным ускорением называют ускорение той точки системы image относительно системы image, в которой в данный момент находится рассматриваемая материальная точка.

После умножения на массу точки и учёта второго закона Ньютона image, данное соотношение можно представить в виде

image

Величину image называют переносной силой инерции, а величину image — силой Кориолиса (кориолисовой силой). Обозначив их image и image соответственно, можно записать

image

Полученное выражение выражает основной закон динамики для неинерциальных систем отсчёта.

Из кинематики известно, что

image

где image — угловая скорость вращения неинерциальной системы отсчёта image, image — скорость движения рассматриваемой материальной точки в этой системе отсчёта; квадратными скобками обозначена операция векторного произведения. С учётом этого для силы Кориолиса выполняется

image

Замечания

  1. Согласно принятой в русскоязычной литературе терминологии, кориолисово ускорение материальной точки — это часть её ускорения в инерциальной системе отсчёта image. Этим оно отличается, например, от центробежного ускорения, возникающего в неинерциальной системе отсчёта image.
  2. В иноязычной литературе встречается альтернативное определение кориолисового ускорения с противоположным знаком: image. В таком случае кориолисово ускорение и кориолисова сила оказываются связаны соотношением: image. В рамках такого определения кориолисово ускорение является частью ускорения тела в неинерциальной системе отсчёта image.

Теорема Кориолиса

Пусть точка совершает сложное движение: движется относительно неинерциальной системы отсчёта image со скоростью image ; система image при этом сама движется относительно инерциальной системы координат image, причём линейная скорость движущегося в трёхмерном пространстве произвольным образом мгновенного центра скоростей image равна image, а угловая скорость вращения системы image относительно мгновенного центра скоростей равна image. Мгновенный центр скоростей находится с помощью теоремы вращения Эйлера.

Тогда абсолютная скорость рассматриваемой точки (то есть её линейная скорость в инерциальной системе координат) будет такой:

image, причём image,

где image — радиус-вектор точки относительно мгновенного центра скоростей image. Первые два слагаемых в правой части равенства представляют собой переносную скорость точки, а последнее — её относительную скорость.

Продифференцируем это равенство по времени:

image

Найдём значение каждого слагаемого в инерциальной системе координат:

image
image
image

где image — линейное ускорение точки относительно системы image, image — угловое ускорение системы image.

Таким образом, имеем:

image

Полученное равенство служит математическим выражением теоремы Кориолиса: Абсолютное ускорение точки в сложном движении равно геометрической сумме её переносного ускорения (сумма первых трёх слагаемых в правой части), относительного ускорения (четвёртое слагаемое) и добавочного кориолисова ускорения (последнее слагаемое), равного image.

Используя обозначения image и image, получим запись теоремы Кориолиса в более сжатом виде:

image

Сам Кориолис выражал в 1835 г. свои результаты в иной форме, вводя в рассмотрение переносную и кориолисову силы инерции; общепринятая же ныне чисто кинематическая формулировка теоремы Кориолиса предложена в 1862 г. Анри Эме Резалем.

В частном случае вращательного движения инерциальной системы отсчёта относительно начала координат для того, чтобы точка относительно неинерциальной системы отсчёта двигалась прямолинейно по радиусу к оси вращения (см. рис.), необходимо приложить к ней силу, которая будет противодействующей суммы силы Кориолиса image, переносной вращательной силы image и переносной силы инерции поступательного движения системы отсчёта image. Составляющая же ускорения image не отклонит тело от этой прямой, так как является осестремительным переносным ускорением и всегда направлена по этой прямой. Действительно, если рассматривать уравнение такого движения, то после компенсации в нём вышеупомянутых сил получится уравнение image, которое если умножить векторно на image, то с учётом image получим относительно image дифференциальное уравнение image, имеющее при любых image и image общим решением image, которое и является уравнением такой прямой — image.

Обсуждение

Правило Жуковского

Н. Е. Жуковский предложил удобный способ нахождения кориолисова ускорения:

Ускорение Кориолиса image можно получить, спроецировав вектор относительной скорости точки image на плоскость, перпендикулярную вектору переносной угловой скорости image, увеличив полученную проекцию в image раз и повернув её на 90 градусов в направлении переносного вращения.

Физический смысл

Пусть точка движется со скоростью image вдоль прямой к центру координат инерциальной системы отсчёта (см. рис.).

Тогда данное движение приведёт к изменению расстояния до центра вращения image и, как следствие, абсолютной скорости движения точки неинерциальной системы отсчёта, совпадающей с движущейся точкой — её переносной скорости.

Как мы знаем, эта скорость движения равна

image

Данное изменение будет равно:

image

Проведя дифференцирование по времени, получим

image

(Направление данного ускорения перпендикулярно image и image).

С другой стороны, вектор image для точки, остающейся неподвижной относительно инерциального пространства, повернётся относительно неинерциального на угол image. Или приращение скорости будет

image

При image соответственно, второе ускорение будет:

image

Общее ускорение будет

image

Как видно, система отсчёта не претерпела изменения угловой скорости image Линейная скорость относительно неё не меняется и остаётся image Тем не менее, ускорение не равно нулю.

Если тело движется перпендикулярно направлению к центру вращения, то доказательство будет аналогичным. Ускорение из-за поворота вектора скорости останется

image

а также прибавляется ускорение в результате изменения центростремительного ускорения точки.

Введение в рассмотрение силы Кориолиса производится для того, чтобы иметь возможность описывать движение тел в неинерциальных системах отсчёта с помощью уравнений, по форме совпадающих с уравнением второго закона Ньютона. В то же время сила Кориолиса никак не связана с каким-либо взаимодействием рассматриваемого тела с другими телами, а все её свойства определяются только обстоятельствами кинематического характера, обусловленными выбором конкретной неинерциальной системы отсчёта. В связи с этим о силе Кориолиса говорят, что она не является физической силой, и называют её псевдосилой.

Сила Кориолиса не инвариантна относительно перехода из одной системы отсчёта в другую. Она не подчиняется закону действия и противодействия. Движение тела под действием силы Кориолиса аналогично движению во внешнем силовом поле. Сила Кориолиса всегда является внешней по отношению к любому движению системы материальных тел.

Сила Кориолиса и закон сохранения момента импульса

Если вращающаяся лаборатория, принимаемая за неинерциальную систему отсчёта, имеет конечный момент инерции, то в соответствии с законом сохранения момента импульса при движении тела по радиусу, перпендикулярному оси вращения, угловая скорость вращения будет увеличиваться (при движении тела к центру) или уменьшаться (при движении тела от центра). Рассмотрим эту ситуацию с точки зрения неинерциальной системы.

Хорошим примером может быть человек, который перемещается в радиальном направлении по вращающейся карусели (например, держась за ведущий к центру поручень). При этом с точки зрения человека он при движении к центру будет совершать работу против центробежной силы (эта работа пойдёт на увеличение энергии вращения карусели). На него также будет действовать сила Кориолиса, которая стремится отклонить его движение от радиального направления («сносит» его вбок), и противодействуя сносу (прилагая поперечное усилие к поручню), он будет раскручивать карусель.

При движении от центра центробежная сила будет совершать работу над человеком (за счёт уменьшения энергии вращения), а противодействие силе Кориолиса будет тормозить карусель.

Сила Кориолиса в природе и технике

Самый важный случай действия силы Кориолиса связан с суточным вращением Земли. Поскольку Земля вращается, для правильного анализа движения объектов в системах, привязанных к Земле, необходимо учитывать силу Кориолиса. Сила Кориолиса, вызванная вращением Земли, может быть замечена при наблюдении за движением маятника Фуко.

Вопреки популярному мнению, что силы Кориолиса оказывают влияние на изнашивание рельсов, нашедшему отражение в учебной непрофессиональной литературе, на самом деле эти силы ничтожны по сравнению с силами, действующими в паре колесо-рельс, и ускорения Кориолиса составляют порядка сотой доли процента от ускорения свободного падения image для обычного пассажирского или грузового поезда, идущего со скоростью порядка 100 км/ч. Кроме того, ввиду наличия конусности колёс или более сложной геометрии поверхности катания колёс и рельсов из-за действия т.н. сил крипа любая боковая сила, действующая на колёсную пару или тележку вагона, вызывает не боковое смещение по направлению действия силы, а угловое разворачивание навстречу действия этой силы, поэтому сила Кориолиса не может вызвать изнашивания правого рельса в Северном полушарии и левого — в Южном. В профессиональной железнодорожной литературе силы Кориолиса как значимые не рассматриваются.

Кроме того, сила Кориолиса проявляется и в глобальных масштабах. Вместо того чтобы течь непосредственно из области высокого давления в низкое, как это было бы в невращающейся системе, ветра и течения, как правило, текут вправо от этого направления в Северном полушарии и влево от этого направления в Южном. Поэтому правые берега рек в Северном полушарии более крутые — их подмывает вода под действием этой силы (см. Закон Бэра). В Южном полушарии всё происходит наоборот. Сила Кориолиса ответственна также и за вращение циклонов и антициклонов (см. геострофический ветер): в Северном полушарии вращение воздушных масс происходит в циклонах против часовой стрелки, а в антициклонах — по часовой стрелке; в Южном — наоборот: по часовой стрелке в циклонах и против — в антициклонах. Отклонение ветров (пассатов) при циркуляции атмосферы — также проявление силы Кориолиса.

Силу Кориолиса необходимо учитывать при рассмотрении планетарных движений воды в океане. Она является причиной возникновения , волн Россби.

При идеальных условиях сила Кориолиса определяет направление закручивания воды — например, при сливе в раковине (феномен «обратного закручивания воды при стоке»). На практике зависимость направления закручивания воды от полушария проявляется лишь в тщательно спланированных экспериментах, проведённых вдали от экватора, в которых используются строго симметричные сосуды, многочасовой отстой жидкости перед измерением, контроль внешних условий (стабильность температуры и отсутствие потоков воздуха). Отклонения от таких идеальных условий оказывают на направление закручивания воды большее влияние, чем сила Кориолиса.

См. также

Примечания

  1. Тарг С. М. Кориолиса сила // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 461. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
  2. Фрейман Л. С. К истории доказательства теоремы Кориолиса // Труды института истории естествознания и техники / Гл. ред. Н. А. Фигуровский. — М.: АН СССР, 1956. — Т. 10. — С. 213—244.
  3. Coriolis G. Sur les équations du mouvement relative des systèmes de corps (фр.) // Journ. Ecole polytechn. — 1835. — Vol. 15, no 24. — P. 142—154. Архивировано 21 января 2018 года.
  4. Manuel López-Mariscal.  Further Coriolis correlation considerations (англ.) // Physics Today. — 2012. — Vol. 65. — P. 8. — doi:10.1063/PT.3.1764. (недоступная ссылка)
  5. Christopher M. Graney.  Coriolis effect, two centuries before Coriolis (англ.) // Physics Today. — 2011. — Vol. 64. — P. 8. — doi:10.1063/PT.3.1195. (недоступная ссылка)
  6. Ишлинский А. Ю. Классическая механика и силы инерции. — М.: «Наука», 1987. — С. 70. — 320 с.
  7. Тарг С. М. Кориолиса ускорение // Физическая энциклопедия / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1990. — Т. 2. — С. 461. — 704 с. — 100 000 экз. — ISBN 5-85270-061-4.
  8. Маркеев А. П. Теоретическая механика: Учебник для университетов. — М.: ЧеРО, 1999. — С. 74. — 572 с.
  9. Тарг С. М. Краткий курс теоретической механики. — М.: Высшая школа, 1995. — С. 156. — 416 с. — ISBN 5-06-003117-9.
  10. Хайкин С. Э. Силы инерции и невесомость. — М.: «Наука», 1967. — С. 163—164.
  11. N. de Nevers. Air Pollution Control Engeneering. — 2. — The MkGraw-Hill Companies, Inc., 1999. — С. 88. — 586 с. — ISBN 0-07-039367-2.
  12. Bela G. Liptak. Flow Measurement. — CRS Press, 1993. — С. 51. — 211 с. — ISBN 0-8019-8386-X.
  13. A. Berthoz, Werner Graf, Pierre Paul Vidal. The Head-neck Sensory Motor System. — 1. — Oxford University Press, 1992. — С. 216. — 748 с. — ISBN 0-19-506820-3.
  14. E. Brinckmann. Biology in Space and Life on Earth: Effects of Spaceflight on Biological Systems. — 1. — Heppenheim: Wiley-VCH, 2007. — С. 30. — ISBN 978-3-527-40668-5.
  15. Веселовский И. Н.  Очерки по истории теоретической механики. — М.: Высшая школа, 1974. — 287 с. — С. 203—204.
  16. Ишлинский А. Ю. Классическая механика и силы инерции. — М.: «Наука», 1987. — С. 69—70. — 320 с.
  17. Сила Кориолиса. Дата обращения: 7 декабря 2009. Архивировано 16 ноября 2012 года.
  18. Хайкин С. Э. Силы инерции и невесомость. — М.: «Наука», 1967. — С. 161—163.
  19. НИЯУ МИФИ. Физические основы механики. 8.4. Сила Кориолиса.
  20. У. Дж. Харрис, С. М. Захаров, Дж. Ландгрен, Х. Турне, В. Эберсен. 2.2. Колесная пара и путь // ОБОБЩЕНИЕ ПЕРЕДОВОГО ОПЫТА ТЯЖЕЛОВЕСНОГО ДВИЖЕНИЯ: ВОПРОСЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСА И РЕЛЬСА = GUIDELINES TO BEST PRACTICES FOR HEAVY HAUL RAILWAY OPERATIONS: WHEEL AND RAIL INTERFACE ISSUES / под. ред. С.М. Захарова и В.М. Богданова. Пер. с англ. С. М. Захаров и др. — М., 2002. — 408 с. — ISBN ISBN ISBN 5-89277-037-0.
  21. У. Дж. Харрис, С. М. Захаров, Дж. Ландгрен, Х. Турне, В. Эберсен. ОБОБЩЕНИЕ ПЕРЕДОВОГО ОПЫТА ТЯЖЕЛОВЕСНОГО ДВИЖЕНИЯ: ВОПРОСЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСА И РЕЛЬСА = GUIDELINES TO BEST PRACTICES FOR HEAVY HAUL RAILWAY OPERATIONS: WHEEL AND RAIL INTERFACE ISSUES / под. ред. С.М. Захарова и В.М. Богданова. Пер. с англ. С. М. Захаров и др.. — М.: Интекст, 2002., 2002. — 408 с. — ISBN ISBN 5-89277-037-0.
  22. Факторы износа в системе «колесо-рельс»: проблемы и решения — "Объединение производителей железнодорожной техники". opzt.ru. Дата обращения: 8 июня 2024.
  23. Краткая географическая энциклопедия. Закон Бэра. Дата обращения: 7 декабря 2009. Архивировано 7 декабря 2010 года.
  24. Сурдин В.  Ванна и закон Бэра // Квант. — 2003. — № 3. — С. 13. Архивировано 3 июля 2009 года.
  25. Научная Сеть. Колебания и волны. Лекции. Дата обращения: 7 декабря 2009. Архивировано 12 февраля 2007 года.
  26. Can somebody finally settle this question: Does water flowing down a drain spin in different directions depending on which hemisphere you're in? And if so, why?. Scientific American. Архивировано 5 ноября 2016. Дата обращения: 4 ноября 2016.

Литература

  • Persson, A. The Coriolis Effect: Four centuries of conflict between common sense and mathematics, Part I: A history to 1885 // History of Meteorology 2 (2005): 1-24.  (англ.)

Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Кориолисово ускорение, Что такое Кориолисово ускорение? Что означает Кориолисово ускорение?

Zapros Effekt Koriolisa perenapravlyaetsya syuda sm takzhe drugie znacheniya Si la Korioli sa odna iz sil inercii ispolzuyushayasya pri rassmotrenii dvizheniya materialnoj tochki otnositelno vrashayushejsya sistemy otschyota Dobavlenie sily Koriolisa k dejstvuyushim na materialnuyu tochku fizicheskim silam pozvolyaet uchest vliyanie vrasheniya sistemy otschyota na takoe dvizhenie Ris 1 Levaya kartinka Traektoriya myacha broshennogo s kraya vrashayushegosya diska kak ee vidit vneshnij nablyudatel Iz za vrasheniya myach imeet kak nachalnuyu tangencialnuyu skorost tak i radialnuyu skorost zadannuyu brosayushim Eti skorosti unosyat ego vpravo ot centra Pravaya kartinka Traektoriya myacha broshennogo s kraya vrashayushegosya diska kak ee vidit brosayushij vrashayushijsya nablyudatel Ona otklonyaetsya ot pryamoj linii Ris 2 Traektorii sharika pri dvizhenii bez treniya po poverhnosti vrashayushejsya tarelki v raznyh sistemah otschyota vverhu v inercialnoj po pryamoj vnizu v neinercialnoj vrashayushejsya vmeste s tarelkoj Nazvana po imeni francuzskogo uchyonogo Gaspa ra Gyusta va de Korioli sa vpervye opisavshego eyo v state opublikovannoj v 1835 godu Inogda vyskazyvayutsya mneniya chto pervym matematicheskoe vyrazhenie dlya sily poluchil Per Simon Laplas v 1775 godu a effekt otkloneniya dvizhushihsya obektov vo vrashayushihsya sistemah otschyota byl opisan Dzhovanni Battista Richcholi i Franchesko Mariya Grimaldi v 1651 godu Chasto pod terminom effekt Koriolisa podrazumevaetsya naibolee vazhnyj sluchaj proyavleniya sily Koriolisa kotoryj voznikaet v svyazi s sutochnym vrasheniem Zemli Tak kak uglovaya skorost vrasheniya Zemli mala 1 oborot v den eta sila kak pravilo mala po sravneniyu s drugimi silami Effekty obychno stanovyatsya zametnymi tolko dlya dvizhenij proishodyashih na bolshih rasstoyaniyah pri dlitelnyh periodah vremeni takih kak krupnomasshtabnoe dvizhenie vozduha atmosfery vihreobraznye ciklony ili vody v okeane Golfstrim Takie dvizheniya kak pravilo proishodyat vdol poverhnosti Zemli poetomu dlya nih chasto vazhna tolko gorizontalnaya sostavlyayushaya sily Koriolisa Ona zastavlyaet dvizhushiesya ot polyusov k ekvatoru vdol poverhnosti Zemli obekty otklonyatsya vpravo po otnosheniyu k napravleniyu dvizheniya v severnom polusharii i vlevo v yuzhnom Effekt gorizontalnogo otkloneniya silnee bliz polyusov tak kak effektivnaya skorost vrasheniya vokrug lokalnoj vertikalnoj osi znachitelnee tam i umenshaetsya do nulya u ekvatora Predvaritelnoe rassmotreniePust v kakoj libo inercialnoj sisteme otschyota ISO imeetsya radius ravnomerno vrashayushijsya vokrug perpendikulyarnoj k nemu osi Esli vdol etogo radiusa v napravlenii ot centra vrasheniya s postoyannoj otnositelno radiusa skorostyu dvizhetsya materialnaya tochka MT to vmeste s uvelicheniem rasstoyaniya ot centra vrasheniya v ISO vozrastaet i komponenta skorosti tela napravlennaya perpendikulyarno radiusu Znachit v dannom sluchae komponenta uskoreniya tochki perpendikulyarnaya radiusu otlichna ot nulya Eta komponenta uskoreniya MT v inercialnoj sisteme otschyota i predstavlyaet soboj uskorenie Koriolisa Pri rassmotrenii togo zhe samogo dvizheniya v neinercialnoj sisteme otschyota NISO vrashayushejsya vmeste s radiusom nablyudaemaya kartina budet drugoj Dejstvitelno v etoj sisteme otschyota skorost MT ne izmenyaetsya i sootvetstvenno komponenta eyo uskoreniya perpendikulyarnaya radiusu ravna nulyu Znachit dvizhenie vyglyadit tak kak budto vo vrashayushejsya sisteme otschyota na MT dejstvuet dopolnitelnaya sila napravlennaya protivopolozhno uskoreniyu Koriolisa i kompensiruyushaya ego Eta dopolnitelnaya sila vvodimaya dlya udobstva opisaniya dvizheniya no v dejstvitelnosti otsutstvuyushaya i est sila Koriolisa Ponyatno chto dannaya sila pozvolyaet uchest vliyanie vrasheniya podvizhnoj sistemy otschyota na otnositelnoe dvizhenie MT no pri etom nikakomu realnomu vzaimodejstviyu MT s drugimi telami ne sootvetstvuet Bolee strogo uskorenie Koriolisa est udvoennoe vektornoe proizvedenie vektora uglovoj skorosti vrasheniya sistemy koordinat na vektor skorosti dvizheniya MT otnositelno vrashayushejsya sistemy koordinat Sootvetstvenno sila Koriolisa ravna proizvedeniyu massy MT na eyo uskorenie Koriolisa vzyatomu so znakom minus OpredeleniePust imeyutsya dve sistemy otschyota odna iz kotoryh S displaystyle S inercialnaya a drugaya S displaystyle left S right dvizhetsya otnositelno pervoj proizvolnym obrazom i v obshem sluchae yavlyaetsya neinercialnoj Budem takzhe rassmatrivat dvizhenie proizvolnoj materialnoj tochki massy m displaystyle m Eyo uskorenie po otnosheniyu k pervoj sisteme otschyota oboznachim a a displaystyle vec a a a po otnosheniyu ko vtoroj a r displaystyle vec a r Svyaz mezhdu uskoreniyami a a displaystyle vec a a i a r displaystyle vec a r sleduet iz teoremy Koriolisa sm nizhe a a a r a e a K displaystyle vec a a vec a r vec a e vec a K gde a e displaystyle vec a e pereno snoe uskorenie a a K displaystyle vec a K uskorenie Koriolisa koriolisovo uskorenie povorotnoe uskorenie Napomnim chto perenosnym uskoreniem nazyvayut uskorenie toj tochki sistemy S displaystyle S otnositelno sistemy S displaystyle S v kotoroj v dannyj moment nahoditsya rassmatrivaemaya materialnaya tochka Posle umnozheniya na massu tochki i uchyota vtorogo zakona Nyutona ma a F displaystyle m vec a a vec F dannoe sootnoshenie mozhno predstavit v vide ma r F ma e ma K displaystyle m vec a r vec F m vec a e m vec a K Velichinu ma e displaystyle m vec a e nazyvayut perenosnoj siloj inercii a velichinu ma K displaystyle m vec a K siloj Koriolisa koriolisovoj siloj Oboznachiv ih F e displaystyle vec F e i F K displaystyle vec F K sootvetstvenno mozhno zapisat ma r F F e F K displaystyle m vec a r vec F vec F e vec F K Poluchennoe vyrazhenie vyrazhaet osnovnoj zakon dinamiki dlya neinercialnyh sistem otschyota Iz kinematiki izvestno chto a K 2 w v r displaystyle vec a K 2 left vec omega times vec v r right gde w displaystyle vec omega uglovaya skorost vrasheniya neinercialnoj sistemy otschyota S displaystyle S v r displaystyle vec v r skorost dvizheniya rassmatrivaemoj materialnoj tochki v etoj sisteme otschyota kvadratnymi skobkami oboznachena operaciya vektornogo proizvedeniya S uchyotom etogo dlya sily Koriolisa vypolnyaetsya F K 2m w v r displaystyle vec F K 2 m left vec omega times vec v r right Zamechaniya Soglasno prinyatoj v russkoyazychnoj literature terminologii koriolisovo uskorenie materialnoj tochki eto chast eyo uskoreniya v inercialnoj sisteme otschyota S displaystyle S Etim ono otlichaetsya naprimer ot centrobezhnogo uskoreniya voznikayushego v neinercialnoj sisteme otschyota S displaystyle S V inoyazychnoj literature vstrechaetsya alternativnoe opredelenie koriolisovogo uskoreniya s protivopolozhnym znakom a K 2 w v r displaystyle vec a K equiv 2 left vec omega times vec v r right V takom sluchae koriolisovo uskorenie i koriolisova sila okazyvayutsya svyazany sootnosheniem a K FKm displaystyle vec a K frac F K m V ramkah takogo opredeleniya koriolisovo uskorenie yavlyaetsya chastyu uskoreniya tela v neinercialnoj sisteme otschyota S displaystyle S Teorema KoriolisaPust tochka sovershaet slozhnoe dvizhenie dvizhetsya otnositelno neinercialnoj sistemy otschyota S displaystyle S so skorostyu v r displaystyle vec v r sistema S displaystyle S pri etom sama dvizhetsya otnositelno inercialnoj sistemy koordinat S displaystyle S prichyom linejnaya skorost dvizhushegosya v tryohmernom prostranstve proizvolnym obrazom mgnovennogo centra skorostej O displaystyle O ravna v 0 displaystyle vec v 0 a uglovaya skorost vrasheniya sistemy S displaystyle S otnositelno mgnovennogo centra skorostej ravna w displaystyle vec omega Mgnovennyj centr skorostej nahoditsya s pomoshyu teoremy vrasheniya Ejlera Togda absolyutnaya skorost rassmatrivaemoj tochki to est eyo linejnaya skorost v inercialnoj sisteme koordinat budet takoj v v 0 w R v r displaystyle vec v vec v 0 left vec omega times vec R right vec v r prichyom ddtR w R v r displaystyle frac d dt vec R left vec omega times vec R right vec v r gde R displaystyle vec R radius vektor tochki otnositelno mgnovennogo centra skorostej O displaystyle O Pervye dva slagaemyh v pravoj chasti ravenstva predstavlyayut soboj perenosnuyu skorost tochki a poslednee eyo otnositelnuyu skorost Prodifferenciruem eto ravenstvo po vremeni ddtv ddtv 0 ddt w R ddtv r displaystyle frac d dt vec v frac d dt vec v 0 frac d dt left vec omega times vec R right frac d dt vec v r Najdyom znachenie kazhdogo slagaemogo v inercialnoj sisteme koordinat ddtv 0 a 0 displaystyle frac d dt vec v 0 vec a 0 ddt w R e R w ddtR e R w w R w v r displaystyle frac d dt left vec omega times vec R right left vec varepsilon times vec R right left vec omega times frac d dt vec R right left vec varepsilon times vec R right biggl vec omega times left vec omega times vec R right biggr left vec omega times vec v r right ddtv r w v r dr v rdt displaystyle frac d dt vec v r left vec omega times vec v r right frac stackrel d r vec v r dt gde a r dr v rdt displaystyle vec a r frac stackrel d r vec v r dt linejnoe uskorenie tochki otnositelno sistemy S displaystyle S e dw dt displaystyle vec varepsilon frac d vec omega dt uglovoe uskorenie sistemy S displaystyle S Takim obrazom imeem ddtv a a 0 e R w w R a r 2 w v r displaystyle frac d dt vec v vec a vec a 0 left vec varepsilon times vec R right biggl vec omega times left vec omega times vec R right biggr vec a r 2 left vec omega times vec v r right Poluchennoe ravenstvo sluzhit matematicheskim vyrazheniem teoremy Koriolisa Absolyutnoe uskorenie tochki v slozhnom dvizhenii ravno geometricheskoj summe eyo perenosnogo uskoreniya summa pervyh tryoh slagaemyh v pravoj chasti otnositelnogo uskoreniya chetvyortoe slagaemoe i dobavochnogo koriolisova uskoreniya poslednee slagaemoe ravnogo 2 w v r displaystyle 2 left vec omega times vec v r right Ispolzuya oboznacheniya a e a 0 e R w w R displaystyle vec a e vec a 0 left vec varepsilon times vec R right biggl vec omega times left vec omega times vec R right biggl i a K 2 w v r displaystyle vec a K 2 left vec omega times vec v r right poluchim zapis teoremy Koriolisa v bolee szhatom vide a a a e a r a K displaystyle vec a a vec a e vec a r vec a K Sam Koriolis vyrazhal v 1835 g svoi rezultaty v inoj forme vvodya v rassmotrenie perenosnuyu i koriolisovu sily inercii obsheprinyataya zhe nyne chisto kinematicheskaya formulirovka teoremy Koriolisa predlozhena v 1862 g Anri Eme Rezalem V chastnom sluchae vrashatelnogo dvizheniya inercialnoj sistemy otschyota otnositelno nachala koordinat dlya togo chtoby tochka otnositelno neinercialnoj sistemy otschyota dvigalas pryamolinejno po radiusu k osi vrasheniya sm ris neobhodimo prilozhit k nej silu kotoraya budet protivodejstvuyushej summy sily Koriolisa 2m w v r displaystyle 2m left vec omega times vec v r right perenosnoj vrashatelnoj sily m e R displaystyle m left vec varepsilon times vec R right i perenosnoj sily inercii postupatelnogo dvizheniya sistemy otschyota ma 0 displaystyle m vec a 0 Sostavlyayushaya zhe uskoreniya w w R displaystyle left vec omega times left vec omega times vec R right right ne otklonit telo ot etoj pryamoj tak kak yavlyaetsya osestremitelnym perenosnym uskoreniem i vsegda napravlena po etoj pryamoj Dejstvitelno esli rassmatrivat uravnenie takogo dvizheniya to posle kompensacii v nyom vysheupomyanutyh sil poluchitsya uravnenie w w R a r 0 displaystyle left vec omega times left vec omega times vec R right right vec a r 0 kotoroe esli umnozhit vektorno na R displaystyle vec R to s uchyotom R w w R 0 displaystyle left vec R times left vec omega times left vec omega times vec R right right right 0 poluchim otnositelno v r displaystyle vec v r differencialnoe uravnenie R dr v rdt 0 displaystyle left vec R times frac stackrel d r vec v r dt right equiv 0 imeyushee pri lyubyh R displaystyle vec R i v r displaystyle vec v r obshim resheniem R v r Const displaystyle left vec R times vec v r right vec Const kotoroe i yavlyaetsya uravneniem takoj pryamoj R v r 0 displaystyle left vec R times vec v r right vec 0 ObsuzhdeniePravilo Zhukovskogo N E Zhukovskij predlozhil udobnyj sposob nahozhdeniya koriolisova uskoreniya Uskorenie Koriolisa a K displaystyle vec a K mozhno poluchit sproecirovav vektor otnositelnoj skorosti tochki v displaystyle vec v na ploskost perpendikulyarnuyu vektoru perenosnoj uglovoj skorosti w displaystyle vec omega uvelichiv poluchennuyu proekciyu v 2w displaystyle 2 omega raz i povernuv eyo na 90 gradusov v napravlenii perenosnogo vrasheniya Fizicheskij smysl Pust tochka dvizhetsya so skorostyu v displaystyle vec v vdol pryamoj k centru koordinat inercialnoj sistemy otschyota sm ris Togda dannoe dvizhenie privedyot k izmeneniyu rasstoyaniya do centra vrasheniya R displaystyle R i kak sledstvie absolyutnoj skorosti dvizheniya tochki neinercialnoj sistemy otschyota sovpadayushej s dvizhushejsya tochkoj eyo perenosnoj skorosti Kak my znaem eta skorost dvizheniya ravna v e w R displaystyle vec v e left vec omega times vec R right Dannoe izmenenie budet ravno dv e w dR displaystyle d vec v e left vec omega times d vec R right Provedya differencirovanie po vremeni poluchim a w v displaystyle vec a left vec omega times vec v right Napravlenie dannogo uskoreniya perpendikulyarno w displaystyle vec omega i v displaystyle vec v S drugoj storony vektor v displaystyle vec v dlya tochki ostayushejsya nepodvizhnoj otnositelno inercialnogo prostranstva povernyotsya otnositelno neinercialnogo na ugol wdt displaystyle omega dt Ili prirashenie skorosti budet dvr vsin wdt v wdt displaystyle d v r v sin omega dt v times omega dt Pri t 0 displaystyle t rightarrow 0 sootvetstvenno vtoroe uskorenie budet a w v displaystyle vec a left vec omega times vec v right Obshee uskorenie budet a k 2 w v displaystyle vec a k 2 left vec omega times vec v right Kak vidno sistema otschyota ne preterpela izmeneniya uglovoj skorosti w displaystyle vec omega Linejnaya skorost otnositelno neyo ne menyaetsya i ostayotsya v displaystyle vec v Tem ne menee uskorenie ne ravno nulyu Esli telo dvizhetsya perpendikulyarno napravleniyu k centru vrasheniya to dokazatelstvo budet analogichnym Uskorenie iz za povorota vektora skorosti ostanetsya a w v displaystyle vec a left vec omega times vec v right a takzhe pribavlyaetsya uskorenie v rezultate izmeneniya centrostremitelnogo uskoreniya tochki Vvedenie v rassmotrenie sily Koriolisa proizvoditsya dlya togo chtoby imet vozmozhnost opisyvat dvizhenie tel v neinercialnyh sistemah otschyota s pomoshyu uravnenij po forme sovpadayushih s uravneniem vtorogo zakona Nyutona V to zhe vremya sila Koriolisa nikak ne svyazana s kakim libo vzaimodejstviem rassmatrivaemogo tela s drugimi telami a vse eyo svojstva opredelyayutsya tolko obstoyatelstvami kinematicheskogo haraktera obuslovlennymi vyborom konkretnoj neinercialnoj sistemy otschyota V svyazi s etim o sile Koriolisa govoryat chto ona ne yavlyaetsya fizicheskoj siloj i nazyvayut eyo psevdosiloj Sila Koriolisa ne invariantna otnositelno perehoda iz odnoj sistemy otschyota v druguyu Ona ne podchinyaetsya zakonu dejstviya i protivodejstviya Dvizhenie tela pod dejstviem sily Koriolisa analogichno dvizheniyu vo vneshnem silovom pole Sila Koriolisa vsegda yavlyaetsya vneshnej po otnosheniyu k lyubomu dvizheniyu sistemy materialnyh tel Sila Koriolisa i zakon sohraneniya momenta impulsa Esli vrashayushayasya laboratoriya prinimaemaya za neinercialnuyu sistemu otschyota imeet konechnyj moment inercii to v sootvetstvii s zakonom sohraneniya momenta impulsa pri dvizhenii tela po radiusu perpendikulyarnomu osi vrasheniya uglovaya skorost vrasheniya budet uvelichivatsya pri dvizhenii tela k centru ili umenshatsya pri dvizhenii tela ot centra Rassmotrim etu situaciyu s tochki zreniya neinercialnoj sistemy Horoshim primerom mozhet byt chelovek kotoryj peremeshaetsya v radialnom napravlenii po vrashayushejsya karuseli naprimer derzhas za vedushij k centru poruchen Pri etom s tochki zreniya cheloveka on pri dvizhenii k centru budet sovershat rabotu protiv centrobezhnoj sily eta rabota pojdyot na uvelichenie energii vrasheniya karuseli Na nego takzhe budet dejstvovat sila Koriolisa kotoraya stremitsya otklonit ego dvizhenie ot radialnogo napravleniya snosit ego vbok i protivodejstvuya snosu prilagaya poperechnoe usilie k poruchnyu on budet raskruchivat karusel Pri dvizhenii ot centra centrobezhnaya sila budet sovershat rabotu nad chelovekom za schyot umensheniya energii vrasheniya a protivodejstvie sile Koriolisa budet tormozit karusel Sila Koriolisa v prirode i tehnikeSamyj vazhnyj sluchaj dejstviya sily Koriolisa svyazan s sutochnym vrasheniem Zemli Poskolku Zemlya vrashaetsya dlya pravilnogo analiza dvizheniya obektov v sistemah privyazannyh k Zemle neobhodimo uchityvat silu Koriolisa Sila Koriolisa vyzvannaya vrasheniem Zemli mozhet byt zamechena pri nablyudenii za dvizheniem mayatnika Fuko Vopreki populyarnomu mneniyu chto sily Koriolisa okazyvayut vliyanie na iznashivanie relsov nashedshemu otrazhenie v uchebnoj neprofessionalnoj literature na samom dele eti sily nichtozhny po sravneniyu s silami dejstvuyushimi v pare koleso rels i uskoreniya Koriolisa sostavlyayut poryadka sotoj doli procenta ot uskoreniya svobodnogo padeniya ac 10 4g displaystyle a c sim 10 4 g dlya obychnogo passazhirskogo ili gruzovogo poezda idushego so skorostyu poryadka 100 km ch Krome togo vvidu nalichiya konusnosti kolyos ili bolee slozhnoj geometrii poverhnosti kataniya kolyos i relsov iz za dejstviya t n sil kripa lyubaya bokovaya sila dejstvuyushaya na kolyosnuyu paru ili telezhku vagona vyzyvaet ne bokovoe smeshenie po napravleniyu dejstviya sily a uglovoe razvorachivanie navstrechu dejstviya etoj sily poetomu sila Koriolisa ne mozhet vyzvat iznashivaniya pravogo relsa v Severnom polusharii i levogo v Yuzhnom V professionalnoj zheleznodorozhnoj literature sily Koriolisa kak znachimye ne rassmatrivayutsya Krome togo sila Koriolisa proyavlyaetsya i v globalnyh masshtabah Vmesto togo chtoby tech neposredstvenno iz oblasti vysokogo davleniya v nizkoe kak eto bylo by v nevrashayushejsya sisteme vetra i techeniya kak pravilo tekut vpravo ot etogo napravleniya v Severnom polusharii i vlevo ot etogo napravleniya v Yuzhnom Poetomu pravye berega rek v Severnom polusharii bolee krutye ih podmyvaet voda pod dejstviem etoj sily sm Zakon Bera V Yuzhnom polusharii vsyo proishodit naoborot Sila Koriolisa otvetstvenna takzhe i za vrashenie ciklonov i anticiklonov sm geostroficheskij veter v Severnom polusharii vrashenie vozdushnyh mass proishodit v ciklonah protiv chasovoj strelki a v anticiklonah po chasovoj strelke v Yuzhnom naoborot po chasovoj strelke v ciklonah i protiv v anticiklonah Otklonenie vetrov passatov pri cirkulyacii atmosfery takzhe proyavlenie sily Koriolisa Silu Koriolisa neobhodimo uchityvat pri rassmotrenii planetarnyh dvizhenij vody v okeane Ona yavlyaetsya prichinoj vozniknoveniya voln Rossbi Pri idealnyh usloviyah sila Koriolisa opredelyaet napravlenie zakruchivaniya vody naprimer pri slive v rakovine fenomen obratnogo zakruchivaniya vody pri stoke Na praktike zavisimost napravleniya zakruchivaniya vody ot polushariya proyavlyaetsya lish v tshatelno splanirovannyh eksperimentah provedyonnyh vdali ot ekvatora v kotoryh ispolzuyutsya strogo simmetrichnye sosudy mnogochasovoj otstoj zhidkosti pered izmereniem kontrol vneshnih uslovij stabilnost temperatury i otsutstvie potokov vozduha Otkloneniya ot takih idealnyh uslovij okazyvayut na napravlenie zakruchivaniya vody bolshee vliyanie chem sila Koriolisa Sm takzheSila Koriolisa v gidroaeromehanike Centrostremitelnoe uskorenie Koriolisov rashodomer Uvlechenie inercialnyh sistem otschyotaPrimechaniyaTarg S M Koriolisa sila Fizicheskaya enciklopediya Gl red A M Prohorov M Sovetskaya enciklopediya 1990 T 2 S 461 704 s 100 000 ekz ISBN 5 85270 061 4 Frejman L S K istorii dokazatelstva teoremy Koriolisa Trudy instituta istorii estestvoznaniya i tehniki Gl red N A Figurovskij M AN SSSR 1956 T 10 S 213 244 Coriolis G Sur les equations du mouvement relative des systemes de corps fr Journ Ecole polytechn 1835 Vol 15 no 24 P 142 154 Arhivirovano 21 yanvarya 2018 goda Manuel Lopez Mariscal Further Coriolis correlation considerations angl Physics Today 2012 Vol 65 P 8 doi 10 1063 PT 3 1764 nedostupnaya ssylka Christopher M Graney Coriolis effect two centuries before Coriolis angl Physics Today 2011 Vol 64 P 8 doi 10 1063 PT 3 1195 nedostupnaya ssylka Ishlinskij A Yu Klassicheskaya mehanika i sily inercii M Nauka 1987 S 70 320 s Targ S M Koriolisa uskorenie Fizicheskaya enciklopediya Gl red A M Prohorov M Sovetskaya enciklopediya 1990 T 2 S 461 704 s 100 000 ekz ISBN 5 85270 061 4 Markeev A P Teoreticheskaya mehanika Uchebnik dlya universitetov M CheRO 1999 S 74 572 s Targ S M Kratkij kurs teoreticheskoj mehaniki M Vysshaya shkola 1995 S 156 416 s ISBN 5 06 003117 9 Hajkin S E Sily inercii i nevesomost M Nauka 1967 S 163 164 N de Nevers Air Pollution Control Engeneering 2 The MkGraw Hill Companies Inc 1999 S 88 586 s ISBN 0 07 039367 2 Bela G Liptak Flow Measurement CRS Press 1993 S 51 211 s ISBN 0 8019 8386 X A Berthoz Werner Graf Pierre Paul Vidal The Head neck Sensory Motor System 1 Oxford University Press 1992 S 216 748 s ISBN 0 19 506820 3 E Brinckmann Biology in Space and Life on Earth Effects of Spaceflight on Biological Systems 1 Heppenheim Wiley VCH 2007 S 30 ISBN 978 3 527 40668 5 Veselovskij I N Ocherki po istorii teoreticheskoj mehaniki M Vysshaya shkola 1974 287 s S 203 204 Ishlinskij A Yu Klassicheskaya mehanika i sily inercii M Nauka 1987 S 69 70 320 s Sila Koriolisa neopr Data obrasheniya 7 dekabrya 2009 Arhivirovano 16 noyabrya 2012 goda Hajkin S E Sily inercii i nevesomost M Nauka 1967 S 161 163 NIYaU MIFI Fizicheskie osnovy mehaniki 8 4 Sila Koriolisa rus U Dzh Harris S M Zaharov Dzh Landgren H Turne V Ebersen 2 2 Kolesnaya para i put OBOBShENIE PEREDOVOGO OPYTA TYaZhELOVESNOGO DVIZhENIYa VOPROSY VZAIMODEJSTVIYa KOLESA I RELSA GUIDELINES TO BEST PRACTICES FOR HEAVY HAUL RAILWAY OPERATIONS WHEEL AND RAIL INTERFACE ISSUES rus pod red S M Zaharova i V M Bogdanova Per s angl S M Zaharov i dr M 2002 408 s ISBN ISBN ISBN 5 89277 037 0 U Dzh Harris S M Zaharov Dzh Landgren H Turne V Ebersen OBOBShENIE PEREDOVOGO OPYTA TYaZhELOVESNOGO DVIZhENIYa VOPROSY VZAIMODEJSTVIYa KOLESA I RELSA GUIDELINES TO BEST PRACTICES FOR HEAVY HAUL RAILWAY OPERATIONS WHEEL AND RAIL INTERFACE ISSUES rus pod red S M Zaharova i V M Bogdanova Per s angl S M Zaharov i dr M Intekst 2002 2002 408 s ISBN ISBN 5 89277 037 0 Faktory iznosa v sisteme koleso rels problemy i resheniya Obedinenie proizvoditelej zheleznodorozhnoj tehniki neopr opzt ru Data obrasheniya 8 iyunya 2024 Kratkaya geograficheskaya enciklopediya Zakon Bera neopr Data obrasheniya 7 dekabrya 2009 Arhivirovano 7 dekabrya 2010 goda Surdin V Vanna i zakon Bera Kvant 2003 3 S 13 Arhivirovano 3 iyulya 2009 goda Nauchnaya Set Kolebaniya i volny Lekcii neopr Data obrasheniya 7 dekabrya 2009 Arhivirovano 12 fevralya 2007 goda Can somebody finally settle this question Does water flowing down a drain spin in different directions depending on which hemisphere you re in And if so why Scientific American Arhivirovano 5 noyabrya 2016 Data obrasheniya 4 noyabrya 2016 LiteraturaPersson A The Coriolis Effect Four centuries of conflict between common sense and mathematics Part I A history to 1885 History of Meteorology 2 2005 1 24 angl

NiNa.Az

NiNa.Az - Абсолютно бесплатная система, которая делится для вас информацией и контентом 24 часа в сутки.
Взгляните
Закрыто