Сила Коріоліса

В інерціальних системах координат (верхня частина малюнку), чорний об'єкт рухається по прямій. Однак, для спостерігача (червона крапка), що знаходиться в системі координат, що обертається (нижня частина малюнку), рух об'єкта уявляється криволінійним.

Си́ла Коріолі́са (за іменем французького вченого Г. Г. Коріоліса) — одна з сил інерції, що існує в системі відліку, що обертається, і виявляється при русі в напрямі під кутом до осі обертання.

Фізична природа

Причина появи сили Коріоліса в коріолісовому прискоренні. Для того, щоб тіло рухалося з коріолісовим прискоренням, необхідне прикладення сили до тіла, рівної F = ma, де а — коріолісове прискорення. Відповідно, тіло діє згідно із третім законом Ньютона з силою протилежної спрямованості. F_K = -ma. Сила, яка діє з боку тіла, і називатиметься силою Коріоліса.

При обертанні диска, дальші від центру точки рухаються з тим більшою дотичною швидкістю, чим менш далекі. Якщо ми хочемо перемістити деяке тіло уздовж радіусу, так, щоб воно залишалося на радіусі, то нам доведеться збільшити швидкість тіла, тобто, додати йому прискорення. Якщо наша система відліку обертається разом з диском, то ми відчуємо, що тіло «не хоче» залишатися на радіусі, а «норовить» зміститися — це і є сила Коріоліса.

У інерціальних системах відліку діє закон інерції, тобто, кожне тіло прагне рухатися по прямій і з постійною швидкістю. Якщо розглянути рух тіла, рівномірний уздовж деякого радіуса, що обертається, і направлений від центру, то стане ясно, що для того щоб воно здійснилося, потрібно додавати тілу прискорення, оскільки чим далі від центру, тим більше повинна бути дотична швидкість обертання. Це означає, що з погляду системи відліку, що обертається, якась сила намагатиметься змістити тіло з радіуса.

Якщо обертання відбувається за годинниковою стрілкою, то тіло, що рухається від центру обертання, прагне зійти з радіуса вліво. Якщо обертання відбувається проти годинникової стрілки — то вправо.

Коріолісове прискорення

У системі координат, яка обертається навколо осі із кутовою швидкістю $\mathbf {w}$, тіло, що рухається із лінійною швидкістю $\mathbf {v}$, має прискорення

$\mathbf {a} =-2\mathbf {w} \times \mathbf {v}$.

Відповідна сила, яка змушує тіло рухатися з таким прискоренням повинна дорівнювати

$\mathbf {F} =-2m\mathbf {w} \times \mathbf {v}$,

де m — маса тіла.

Коріолісова сила перпендикулярна до вісі обертання і до швидкості тіла. Якщо тіло рухається вздовж осі обертання, коріолісової сили не виникає. Найбільше значення коріолісова сила має тоді, коли тіло рухається перпендикулярно до вісі обертання.

Прояв Коріолісової сили

Сила Коріоліса виявляється, наприклад, в роботі маятника Фуко. Крім того, оскільки Земля обертається, то сила Коріоліса виявляється і в глобальних масштабах. У північній півкулі сила Коріоліса направлена вправо від руху, тому праві береги річок в північній півкулі крутіші — їх підмиває вода під дією цієї сили. У південній півкулі все відбувається навпаки. Сила Коріоліса відповідальна також і за виникнення циклонів і антициклонів.

Всупереч популярній думці, малоймовірно, що сила Коріоліса впливає на напрям закручування води у водопроводі, оскільки Земля обертається дуже поволі (один оборот в добу) і ця сила дуже мала.

Література

1. Persson, A., 1998 «How do we Understand the Coriolis Force?» (англ.)
2. Phillips, Norman A., 2000 «An Explication of the Coriolis Effect», Bulletin of the American Meteorological Society: Vol. 81, No. 2, pp. 299—303. (англ.)
3. John Marshall & R. Alan Plumb (2007). «Atmosphere, Ocean, and Climate Dynamics»: An Introductory Text. Academic Press. p. 101. ISBN 0125586914. (англ.)