Учебно-методический комплекс дисциплины « Механика» для специальности 5В060400 «Физика» учебно-методические материалы (стр. 30 )

Сила Кориолиса отличается от всех встречавшихся нам до сих пор сил инерции тем, что она зависит от скорости движения тела относительно неинерциальной системы отсчета.

Кроме кориолисовой силы, во вращающейся системе отсчета на движущееся тело действует и центробежная сила инерции, так же, как она действовала бы на тело, если бы оно покоилось относительно вращающейся системы отсчета.

Вернемся теперь к вопросу о том, является ли Земля инерциальной системой отсчета или нет. Для того, чтобы выяснить является ли та или иная система отсчета инерциальной, достаточно сопоставить ускорения тел относительно этой системы отсчета с силами, действующими на эти тела со стороны других тел. Если эти силы объясняют наблюдаемые движения тел, т. е. силы и ускорения во всех случаях удовлетворяют второму закону Ньютона, то система инерциальна. Если же оказывается, что имеются ускорения, которые нельзя объяснить действием других тел, это значит, что система неинерциальна, а ускорения вызываются соответственными силами инерции. Опыт, доказывающий таким способом, неинерциальность Земли (а именно - ее вращение относительно инерциальных систем отсчета), произвел в 1851г. в Париже французский физик Фуко (1819-1868). В опыте Фуко производились наблюдения за качаниями маятника, запущенного в определенной плоскости (маятник Фуко). Для того чтобы можно было в течение достаточно долгого времени наблюдать качания, Фуко применил в качестве маятника груз, подвешенный на очень длинной (67м) тонкой проволоке. Период колебаний маятника составил 16с. Чтобы проволока не закручивалась, ее верхний конец был укреплен в подшипнике, который мог свободно вращаться вокруг вертикальной оси. На груз маятника действовали только две силы: сила тяжести, направленная вертикально вниз, и сила натяжения проволоки, направленная вдоль проволоки вверх. Таким образом, результирующая сил, действующих на маятник, лежала в вертикальной плоскости, проходящей через проволоку, т. е. в плоскости качаний маятника. При запуске маятника принимались

Рис.5.7  меры для устранения толчков в направлении, перпендикулярном к начальной плоскости качаний: для запуска груз оттягивался в сторону от положения равновесия нитью, которая затем пережигалась. В результате маятник начинал двигаться в той вертикальной плоскости, в которой лежала проволока до пережигания нити. Если бы Земля была инерциальной системой отсчета, то при таком способе запуска маятник и при 

  последующих колебаниях оставался бы в той же самой вертикальной плоскости. Оказалось, однако, что плоскость качаний маятника не оставалась неподвижной по отношению к Земле, а поворачивалась по часовой стрелке (если смотреть на маятник сверху). Траектория движения груза маятника относительно Земли показана на рис.5.7. На рисунке для наглядности сильно преувеличен угол поворота плоскости качаний при каждом колебании маятника.

Опыт Фуко производился и в других местах земного шара (в том числе и в южном полушарии, где плоскость качаний поворачивалась против часовой стрелки). Выяснилось, что при приближении к полюсу - северному или южному - угловая скорость поворота плоскости качаний увеличивается и на самом полюсе достигает 2рад/сут. Значит, плоскость качаний маятника на полюсе поворачивается относительно Земли с той же скоростью, что и Земля относительно системы отсчета Солнце - звезды, но в обратном направлении. Следовательно, плоскость качаний маятника неизменна в системе отсчета Солнце - звезды. Таким образом, в системе отсчета Солнце - звезды мы наблюдаем только такие ускорения груза маятника, которые сообщают ему другие тела. Это доказывает, что система отсчета Солнце - звезды является инерциальной. Одновременно это доказывает, что Земля не является инерциальной системой отсчета, она - система, вращающаяся относительно инерциальной с угловой скоростью 2  рад/сут.

Теперь, исходя из того, что Земля - вращающаяся система отсчета, можно объяснить движение маятника Фуко и с точки зрения земного наблюдателя. Так как траектория груза маятника криволинейна, то на него должны действовать силы, перпендикулярные к траектории. Кривизна траектории направлена то в одну, то в другую сторону в зависимости от того, куда движется маятник, вперед или назад. Значит, сила должна менять направление на противоположное при перемене направления движения груза. Эта сила - сила инерции Кориолиса. Действительно, она направлена перпендикулярно к скорости движущегося тела и при перемене направления движения (качание вперед и назад) направление ее меняется на обратное. Под действием силы Кориолиса траектория груза и оказывается «звездочкой», показанной на рисунке.

Кроме опыта с маятником Фуко, на Земле наблюдаются еще и другие явления, также связанные с силой Кориолиса. На тела, движущиеся в северном полушарии с юга на север, действует сила Кориолиса, направленная на восток, т. е. вправо от направления движения, а на тела, движущиеся с севера на юг,- сила Кориолиса, направленная на запад, т. е. снова вправо от направления движения. Такая сила действует, например, на воду в реках, текущих в северном полушарии. Под действием этой силы вода в реках подмывает правый берег, который поэтому бывает более крутым и обрывистым, чем левый берег. Эту закономерность называют законом Бэра, по имени обратившего на нее внимание русского ученого Карла Максимовича Бэра (1792-1876). По той же причине правые рельсы двухпутных железных дорог на каждой колее изнашиваются немного сильнее левых. В южном полушарии, наоборот, более круты левые берега и быстрее изнашиваются левые рельсы.

Силой Кориолиса объясняется также то, что ветры на Земле образуют огромные вихри - циклоны и антициклоны.

До сих пор рассматривалось движение тел только относительно инерциальных систем отсчета. Установлено, что каждый раз, когда тело получает ускорение относительно такой системы, можно указать другие тела, действия которых на данное тело вызывают это ускорение. Эти действия - силы; закономерности, связывающие ускорение тела относительно инерциальных систем отсчета с силами, действующими на тело,- это закон инерции и второй закон Ньютона. Показано, что силы носят взаимный характер, что они являются взаимодействиями тел. Это свойство сил выражается третьим законом Ньютона.

Далее  будем рассматривать движения тел относительно неинерциальных систем отсчета. Относительно таких систем тела могут получать ускорения, которые нельзя объяснить действием каких-либо определенных тел. Например, когда в резко затормозившем поезде чемодан слетает с полки, т. е. получает ускорение относительно поезда, нельзя указать никакого определенного тела, которое это ускорение вызвало. Если же чемодан был бы привязан, то в затормозившем поезде он остался бы в покое на полке и не получил бы ускорения относительно вагона, хотя веревка, которой он привязан, оказалась бы натянутой и действовала бы на него с определенной силой. Рассматривая движения относительно инерциальной системы отсчета (например, Земли), можно  объяснить наблюдаемые движения силами, действующими со стороны других тел. В самом деле, натянувшаяся веревка сообщает чемодану ускорение, равное ускорению затормозившего поезда; поэтому он и остается в покое относительно вагона. Если же веревки нет, то никакие силы со стороны вагона на чемодан не действуют, он продолжает двигаться по инерции с прежней скоростью, а вагон, на который подействовала сила трения заторможенных колес о рельсы, уменьшает свою скорость, и вагонная полка выскальзывает из-под чемодана.

Итак, движение относительно неинерциальных систем отсчета подчиняется другим закономерностям, нежели движение относительно инерциальных систем. С точки зрения наблюдателя, находящегося в неинерциальной системе отсчета, причины движения не те, что с точки зрения наблюдателя, находящегося в инерциальной системе.

Если наблюдатель находится в неинерциальной системе отсчета, например, внутри ускоренно движущегося автомобиля, самолета, спутника, то ему гораздо проще относить наблюдаемые движения к самим неинерциально движущимся системам отсчета, чем каждый раз выяснять, как движется тело относительно какой-либо инерциальной системы отсчета. Но тогда необходимо разобраться в различиях между закономерностями движений относительно инерциальных и неинерциальных систем отсчета. Для этого прежде всего рассмотрим подробнее сами движения относительно разных систем отсчета.

Выражение «с точки зрения наблюдателя, находящегося в той или иной системе отсчета», подчеркивает, что все измерения положения, скорости и ускорения тела выполняются относительно именно данной системы отсчета, как бы она ни двигалась относительно привычных нам систем (Земля, Солнце и звезды), т. е. так, как их пришлось бы выполнять жителю Земли (относительно Земли), пассажиру автомашины (относительно автомашины), космонавту (относительно космического корабля) и т. д.

Если бы Земля была удалена от всех других небесных тел на расстояния во много раз большие, чем теперь, так, чтобы притяжение других небесных тел совсем не сказывалось, то отличие Земли от инерциальной системы отсчета заключалось бы только в том, что она вращается вокруг своей оси. Но фактически небесные тела Солнечной системы действуют на Землю, сообщая ей некоторое ускорение относительно Солнца и звезд; поэтому, помимо сил инерции, обусловленных вращением Земли вокруг своей оси, нужно учитывать силы инерции,

соответствующие ускоренному движению Земли в целом. Важнейшее проявление этих сил в системе отсчета «Земля» — это морские приливы.

Рис.5.8  На рисунке обозначено:  fи - сила инерции, fА  и fВ - силы притяжения частиц воды Луной, w - ускорение Земли,

вызванное притяжением Луны.

Главную роль в морских приливах играют Луна (как ближайшее небесное тело) и Солнце (как самое массивное небесное тело Солнечной системы).