Forța Coriolis - Biologie

Forța Coriolis aparține forțelor pseudo sau inerțiale. În sistemele de referință rotative, apare în plus față de forța centrifugă atunci când o masă nu se odihnește în sistemul de referință rotativ (adică atunci când nu „se rotește” pur și simplu), ci se mișcă în raport cu sistemul de referință. Este numit după Gaspard Gustave de Coriolis, care a derivat-o matematic pentru prima dată în 1835.

Direcția forței Coriolis este perpendiculară atât pe direcția de mișcare a corpului, cât și pe axa de rotație a sistemului de referință. Cantitatea lor este proporțională cu masa corpului în mișcare, viteza unghiulară și lungimea proiecției vectorului vitezei pe un plan perpendicular pe axa de rotație. Pentru forța Coriolis, este importantă doar acea parte a mișcării care nu este paralelă cu axa de rotație a sistemului. Dacă vectorul de viteză și axa de rotație sunt paralele, este deci zero.

Forța Coriolis joacă un rol important în meteorologie și oceanografie fizică. Datorită rotației pământului, masele de aer și apă se deplasează într-un sistem de referință rotativ. În emisfera nordică, aceasta determină o deviere spre dreapta, care determină direcția de rotație a zonelor de presiune înaltă și joasă.

Introducere - Forța Coriolis pe un platan rotativ

O persoană care se sprijină pe un disc rotativ (de exemplu, un carusel) are o forță centrifugă exterioară. Dacă se mișcă pe disc, experimentează și o forță îndreptată spre lateral (perpendicular pe direcția curentă de mișcare). Aceasta este forța Coriolis.

Este o concepție greșită obișnuită că forța Coriolis acționează numai cu mișcări radiale, adică cu cele care sunt fie îndreptate înspre sau către centru. De fapt, acționează asupra oricărei mișcări în plan orizontal în raport cu masa rotativă, este perpendiculară pe direcția de mișcare și are aceeași cantitate în fiecare caz. [1] Dacă discul se rotește spre dreapta - ca în imagine - forța Coriolis acționează spre stânga în raport cu direcția de mișcare a corpului roșu.

O deplasare paralelă cu axa de rotație, perpendiculară pe masa rotativă, nu provoacă o forță Coriolis.

Forța Coriolis datorită rotației pământului

O forță Coriolis acționează asupra fiecărui obiect în mișcare de pe pământ, care se datorează rotației pământului. Influența rotației pământului asupra mișcării corpurilor a fost studiată pentru prima dată de Isaac Newton.

Mișcări verticale

Când se deplasează în jos (perpendicular pe suprafața pământului), forța Coriolis este îndreptată spre est, atunci când se deplasează în sus spre vest. Deviația foarte mică nord-sud poate fi neglijată la o bună aproximare.

Dacă aruncați un obiect, acesta va fi deviat spre est datorită forței Coriolis. Măsurătorile timpurii ale acestui efect provin de la Giovanni Battista Guglielmini (1791 la Bologna), Johann Friedrich Benzenberg (1802 la Hamburg) și Ferdinand Reich (1832 la Freiberg), vezi experimente de toamnă pentru a demonstra rotația pământului.

Lui Marin Mersenne i se atribuie faptul că a ridicat întrebarea unde - fără a lua în considerare mișcarea și rezistența aerului - o ghiulea care a tras vertical în sus cade la pământ. Este accelerată de forța Coriolis în timpul mișcării ascendente spre vest și în timpul mișcării descendente spre est. Prin urmare, vectorul tău de viteză capătă o componentă orizontală, care este direcționată spre vest în timpul întregului zbor și atinge maximul său la punctul de cotitură. Ca urmare, este deci deviat spre vest. Cu o viteză inițială de 100 m/s și o latitudine geografică de 50 °, devierea spre vest este de 65 cm, de exemplu.

Mișcări orizontale

Cu mișcări orizontale pe pământ, forța Coriolis are o componentă orizontală și una verticală.

Componenta verticală este mică în comparație cu gravitația. O aeronavă care zboară spre est la ecuator cu viteza sunetului, de exemplu, devine mai ușoară cu aproape o miime din greutatea sa datorită componentei verticale a forței Coriolis - dacă zboară spre vest, devine corespunzător mai grea. Componenta verticală a forței Coriolis pe pământ joacă doar un rol în practică ca element de corecție în măsurătorile de precizie ale câmpului gravitațional al pământului.

Prin urmare, pe pământ, componenta orizontală este denumită de obicei „forța Coriolis”. Componenta orizontală trage observatorul în mișcare spre dreapta în emisfera nordică și spre stânga în emisfera sudică, cu atât este mai puternic cu cât este mai aproape de poli. Când se deplasează pe ecuator, componenta orizontală a forței Coriolis este zero. Cantitatea componentei orizontale depinde Nu pe direcția de mișcare. Într-o mișcare nord-sud, exact aceeași componentă orizontală a forței Coriolis acționează ca într-o mișcare est-vest.

Forța Coriolis are o influență majoră asupra formelor mișcărilor la scară largă în atmosferă și ocean. Pentru prima dată a fost considerat teoretic în teoria mareelor stabilită de Laplace (1778). Influența vântului asupra curenților oceanici modificați de forța Coriolis, care duce la o deviere dreaptă în emisfera nordică, a fost explicată de Vagn Walfrid Ekman în jurul anului 1905 și este descrisă de transportul Ekman (vezi și curentul cu tirbușon). Influența forței Coriolis asupra mișcărilor, de exemplu în mare și în atmosferă, se caracterizează prin numărul Rossby adimensional. Cu cât aceasta este mai mică, cu atât influența forței Coriolis asupra mișcării este mai mare.

Influența forței Coriolis asupra vremii

Forța Coriolis este responsabilă pentru faptul că masele de aer se deplasează în sensul acelor de ceasornic în jurul unor zone mari de înaltă presiune din emisfera nordică și în sens invers acelor de ceasornic în jurul unor zone cu presiune scăzută. Într-o zonă cu presiune scăzută, aerul curge spre interior din cauza gradientului de presiune. În emisfera nordică, acest flux este deviat spre dreapta de către forța Coriolis, rezultând o rotație în sens invers acelor de ceasornic. Modelul de curgere rezultat poate fi explicat și prin echilibrul geostrofic dintre gradientul de presiune orizontală și forța Coriolis: Forța Coriolis acționează spre exterior pe un vortex care se rotește în sens invers acelor de ceasornic și compensează forța spre interior a gradientului de presiune. În general, aerul din emisfera nordică se rotește în sens invers acelor de ceasornic în jurul zonelor de presiune scăzută și în sensul acelor de ceasornic în jurul zonelor de presiune înaltă. În emisfera sudică acest lucru este exact opusul. Echilibrul geostrofic modelează doar modelele meteorologice la scară largă. Forța Coriolis nu are nicio influență directă asupra direcției de rotație a tornadelor, de exemplu. Forța Coriolis joacă, de asemenea, un rol important în formarea undelor Rossby și a undelor Yanai.

Forța și calea ferată Coriolis

În traficul feroviar, forța Coriolis din emisfera nordică înseamnă că, pe traseele drepte, șina din dreapta în direcția de deplasare este supusă unei sarcini ușor mai mari decât șina stângă. Un tren (de ex. Un ICE 3 cu o masă de 400 t) care circulă la o latitudine de 51 de grade (Köln) la o viteză de 250 km/h experimentează o forță de 3.200 N la dreapta. Aceasta corespunde cu aproximativ una la mie din greutate. Dacă trenul are opt vagoane cu câte patru axe fiecare, fiecare roată dreaptă este apăsată spre dreapta pe șină cu o forță Coriolis de aproximativ 100 N. În comparație, la această viteză cu o rază de curbă de 3.000 m există o forță laterală de 20.000 N pe fiecare roată, adică de 200 de ori mai mare decât forța Coriolis.

Cercuri de inerție

Datorită forței Coriolis, o masă de aer sau apă care se mișcă într-un sistem de referință care se rotește cu pământul cu viteza $ \, v $ fără influența altor forțe descrie „cercuri de inerție” cu raze de $ \, R = \ tfrac. $ În latitudini medii cu valori ale parametrului Coriolis (vezi mai jos) de $ \, f = 10 ^ \, \ mathrm ^ $ și o viteză tipică a curentului oceanic de $ 10 ^ \ tfrac >> $, raza este $ \, R = 1 \, \ mathrm $. Mișcarea este în sensul acelor de ceasornic în emisfera nordică și în sens invers acelor de ceasornic în emisfera sudică. Perioada mișcării orbitale este $ T = \ tfrac, $ z. B. la 60 de grade latitudine în jur de 15 ore. Ai fost z. B. observat cu geamanduri plutitoare liber în Marea Baltică, care inițial urmau un curent de suprafață ventilat de vânturi puternice, dar după ce vântul s-a domolit, au fost descrise orbite circulare sau cicloide (deoarece un curent a fost suprapus mișcării circulare). [2] Forța Coriolis joacă un rol important în cursul curenților oceanici și de aer, împreună cu alte forțe care se echilibrează cu ea sau chiar o domină (geostrofie).

Forța Coriolis și pendulul lui Foucault

Conceptul de forță Coriolis permite o înțelegere simplă a pendulului Foucault. Deoarece pendulul (în emisfera nordică) este tras la dreapta de forța Coriolis, planul său de oscilație se rotește. Viteza de rotație scade odată cu creșterea distanței față de pol.

Eroziunea malului râului

Forța Coriolis înseamnă, de asemenea, că în emisfera nordică acele maluri ale râurilor care sunt în dreapta în direcția de curgere sunt erodate mai mult în medie decât cele din stânga. Acest fenomen a fost descris pentru prima dată în 1763 de Mikhail Wassiljewitsch Lomonossow. Primele explicații au venit de la P. A. Slowzow (1827) și Karl Ernst von Baer (1856). [3] Deși acești cercetători credeau că efectul s-a produs doar asupra râurilor care curg de la sud la nord, efectul este încă numit Legea lui Baer desemnat. Opinia corectă că efectul este independent de direcția de curgere a fost formulată mai întâi de Jacques Babinet în 1859 și mai târziu de Albert Einstein [4] (1926). [5]

Influența forței Coriolis asupra scurgerii de apă într-un bazin

O opinie comună cu privire la forța Coriolis se referă la comportamentul de rotație al unui vortex de apă, de exemplu într-o cadă. Dacă scurgerea este deschisă, turbionul rezultat ar trebui să se deplaseze în sens invers acelor de ceasornic în emisfera nordică și în sensul acelor de ceasornic în emisfera sudică - similar cu zonele de presiune scăzută ale atmosferei. De fapt, forța Coriolis nu joacă un rol practic în dimensiuni atât de mici. În comparație cu alte influențe, de exemplu curenții deja existenți, influența forței Coriolis este neglijabilă. [6] [7]

Forța Coriolis în tehnologie

Forțele Coriolis sunt importante în tehnologie atunci când o mișcare rotativă este „suprapusă” de o a doua mișcare. Acesta este cazul, de exemplu, cu un robot care se rotește și, în același timp, își extinde brațul de prindere.

Formule

Forța Coriolis $ \ vec F_ \ mathrm $ acționează asupra unui corp care se mișcă într-un sistem de referință rotativ.

$ \ vec F_ \ mathrm = -2 \, m \ left (\ vec \ omega \ times \ vec v \ right), $

$ m $ este masa corpului în mișcare,
$ \ vec \ omega $ viteza unghiulară a sistemului de referință și
$ \ vec v $ este vectorul de viteză al mișcării corpului în raport cu cadrul de referință rotativ.

Dacă unghiul dintre axa de rotație și direcția de mișcare este cunoscut, valorile scalare pot fi utilizate pentru calcule. Dacă sistemul de referință se rotește spre dreapta, forța Coriolis acționează spre stânga în raport cu direcția de mișcare. Când se rotește spre stânga, funcționează spre dreapta.

$ F_ \ mathrm = 2 \, m \, \ omega \, v \ sin \ varphi = 2 \, m \, \ omega \, v_> $

$ \ varphi $ Unghiul dintre vectorul viteză și viteza unghiulară
$ v_> $ componentă de viteză paralelă cu planul de rotație sau perpendiculară pe viteza unghiulară

În animația rabatabilă, vectorul forței Coriolis pentru o sferă care se deplasează radial și tangențial este desenat pe o plată rotativă (observare dintr-un sistem de referință co-rotativ). Dacă semnul este inversat, forța Coriolis corespunde exact forței de constrângere care ar trebui folosită pentru a forța bila trasă pe căile arătate (aici nu este luată în considerare forța centrifugă).