Apabila fizik mengkaji proses pergerakan jasad dalam kerangka rujukan bukan inersia, seseorang itu perlu mengambil kira apa yang dipanggil pecutan Coriolis. Dalam artikel kami akan memberikannya takrifan, tunjukkan sebab ia berlaku dan di mana ia memanifestasikan dirinya di Bumi.
Apakah itu pecutan Coriolis?
Untuk menjawab soalan ini secara ringkas, kita boleh katakan bahawa ini adalah pecutan yang berlaku akibat tindakan daya Coriolis. Yang terakhir ini menjelma sendiri apabila badan bergerak dalam rangka rujukan berputar bukan inersia.
Ingat bahawa sistem bukan inersia bergerak dengan pecutan atau berputar di angkasa. Dalam kebanyakan masalah fizikal, planet kita diandaikan sebagai kerangka rujukan inersia, kerana halaju sudut putarannya terlalu kecil. Walau bagaimanapun, apabila mempertimbangkan topik ini, Bumi diandaikan sebagai bukan inersia.
Terdapat daya rekaan dalam sistem bukan inersia. Dari sudut pandangan pemerhati dalam sistem bukan inersia, daya ini timbul tanpa sebarang sebab. Sebagai contoh, daya emparan ialahpalsu. Penampilannya bukan disebabkan oleh kesan pada badan, tetapi oleh kehadiran sifat inersia di dalamnya. Perkara yang sama berlaku untuk daya Coriolis. Ia adalah daya rekaan yang disebabkan oleh sifat inersia badan dalam rangka rujukan berputar. Namanya dikaitkan dengan nama orang Perancis Gaspard Coriolis, yang mula-mula mengiranya.
Daya Coriolis dan arah pergerakan di angkasa
Setelah membiasakan diri dengan definisi pecutan Coriolis, mari kita pertimbangkan soalan khusus - dalam arah manakah pergerakan jasad di angkasa berbanding sistem berputar ia berlaku.
Mari bayangkan cakera berputar dalam satah mendatar. Satu paksi menegak putaran melalui pusatnya. Biarkan badan terletak pada cakera berbanding dengannya. Semasa rehat, daya emparan bertindak ke atasnya, diarahkan sepanjang jejari dari paksi putaran. Jika tiada daya sentripetal yang menentangnya, maka badan akan terbang keluar dari cakera.
Sekarang andaikan badan mula bergerak menegak ke atas, iaitu selari dengan paksi. Dalam kes ini, kelajuan putaran linearnya di sekeliling paksi akan sama dengan kelajuan cakera, iaitu, tiada daya Coriolis akan berlaku.
Jika badan mula membuat pergerakan jejari, iaitu, ia mula mendekati atau menjauhi paksi, maka daya Coriolis muncul, yang akan diarahkan secara tangensial ke arah putaran cakera. Penampilannya dikaitkan dengan pemuliharaan momentum sudut dan dengan kehadiran perbezaan tertentu dalam halaju linear titik-titik cakera, yang terletak padajarak yang berbeza daripada paksi putaran.
Akhir sekali, jika badan bergerak secara tangen ke cakera berputar, maka daya tambahan akan muncul yang akan menolaknya sama ada ke arah paksi putaran atau menjauhinya. Ini ialah komponen jejari bagi daya Coriolis.
Memandangkan arah pecutan Coriolis bertepatan dengan arah daya yang dipertimbangkan, pecutan ini juga akan mempunyai dua komponen: jejari dan tangen.
Formula daya dan pecutan
Daya dan pecutan mengikut hukum kedua Newton adalah berkaitan antara satu sama lain melalui hubungan berikut:
F=ma.
Jika kita mempertimbangkan contoh di atas dengan badan dan cakera berputar, kita boleh mendapatkan formula untuk setiap komponen daya Coriolis. Untuk melakukan ini, gunakan undang-undang pemuliharaan momentum sudut, serta ingat semula formula untuk pecutan sentripetal dan ungkapan untuk hubungan antara halaju sudut dan linear. Secara ringkasnya, daya Coriolis boleh ditakrifkan seperti berikut:
F=-2m[ωv].
Di sini m ialah jisim jasad, v ialah halaju linearnya dalam rangka bukan inersia, ω ialah halaju sudut rangka rujukan itu sendiri. Formula pecutan Coriolis yang sepadan akan berbentuk:
a=-2[ωv].
Produk vektor bagi kelajuan adalah dalam kurungan segi empat sama. Ia mengandungi jawapan kepada soalan ke mana pecutan Coriolis diarahkan. Vektornya diarahkan berserenjang dengan kedua-dua paksi putaran dan halaju linear jasad. Ini bermakna bahawa yang dikajipecutan membawa kepada kelengkungan trajektori gerakan rectilinear.
Pengaruh pasukan Coriolis pada penerbangan bola meriam
Untuk lebih memahami cara daya yang dikaji memanifestasikan dirinya dalam amalan, pertimbangkan contoh berikut. Biarkan meriam, berada di meridian sifar dan latitud sifar, menembak terus ke utara. Jika Bumi tidak berputar dari barat ke timur, maka teras akan jatuh pada 0° longitud. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh putaran planet, teras akan jatuh pada longitud yang berbeza, beralih ke timur. Ini adalah hasil daripada pecutan Coriolis.
Penjelasan tentang kesan yang diterangkan adalah mudah. Seperti yang anda ketahui, titik di permukaan Bumi, bersama-sama dengan jisim udara di atasnya, mempunyai kelajuan putaran linear yang besar jika ia terletak di latitud rendah. Semasa berlepas dari meriam, teras mempunyai kelajuan putaran linear yang tinggi dari barat ke timur. Kelajuan ini menyebabkan ia hanyut ke arah timur apabila terbang di latitud yang lebih tinggi.
Kesan Coriolis dan arus laut dan udara
Kesan daya Coriolis paling jelas dilihat dalam contoh arus lautan dan pergerakan jisim udara di atmosfera. Oleh itu, Gulf Stream, bermula di selatan Amerika Utara, merentasi seluruh Lautan Atlantik dan sampai ke pantai Eropah disebabkan kesan yang ketara.
Bagi jisim udara, angin perdagangan, yang bertiup dari timur ke barat sepanjang tahun di latitud rendah, merupakan manifestasi jelas pengaruh pasukan Coriolis.
Contoh masalah
Formula untukPecutan Coriolis. Ia perlu menggunakannya untuk mengira jumlah pecutan yang diperoleh badan, bergerak pada kelajuan 10 m / s, pada latitud 45 °.
Untuk menggunakan formula pecutan berhubung dengan planet kita, anda harus menambah padanya pergantungan pada latitud θ. Formula berfungsi akan kelihatan seperti:
a=2ωvsin(θ).
Tanda tolak telah ditinggalkan kerana ia mentakrifkan arah pecutan, bukan modulusnya. Untuk Bumi ω=7.310-5rad/s. Menggantikan semua nombor yang diketahui ke dalam formula, kita mendapat:
a=27, 310-510sin(45o)=0.001 m/ c 2.
Seperti yang anda boleh lihat, pecutan Coriolis yang dikira hampir 10,000 kali kurang daripada pecutan graviti.
