نیروی کوریولیس یا اثر کوریولیس چیست

نیروی کوریولیس یا اثر کوریولیس (به انگلیسی: Coriolis effect) یک شبه نیرو است که باعث انحراف اجسام در حال حرکت به بیرون از راستای خط راست، از دید یک ناظر درون یک دستگاه چرخان است.

تاثیرات این نیرو را می‌توان بوضوح در تعیین جهت جریانات جبهه‌های آب و هوایی سیارات دید. این اثر توسط گاسپار گوستاو کوریولیس مهندس و ریاضیدان فرانسوی در قرن ۱۹ میلادی کشف شد.

در فیزیک، اثر نیروی کریولیس یک انحراف مشهود حرکت اشیا، هنگامی که اشیا در یک محور مختصات چرخش قرار دارد، می‌باشد.

برای مثال، دو بچه را در دو سمت مخالف یک چرخ فلک گردان در نظر بگیرید، که دو توپ نیز در اطراف آن متصل بوده و می‌چرخند. از دید کودکان، مسیر توپ از پهلو به صورت منحنی در آمده و به وسیله نیروی کریولیس انحنا پیدا کرده‌است. از دید سه بعدی انحراف با چرخش پاد ساعتگرد چرخ و فلک، به سمت راست است. (مشاهده از بالا) و در صورت چرخش ساعتگرد چرخ و فلک، انحراف به سمت چپ می‌باشد. قوانین حرکت نیوتن در مورد حرکت شی در مختصات اینرسی دلالت می‌کند.هنگامی که قوانین نیوتن به مختصات چرخشی تعمیم داده می‌شود، نیروی کریولیس با نیروی گریز از مرکز مشاهده می‌شود.

اگر سرعت چرخش محور مختصات ثابت نباشد، نیروی اولر مشاهده می‌شود.تمام سه نیرو متناسب با جرم جسم می‌باشد. نیروی کریولیس متناسب با سرعت چرخش و توان دوم نیروی گریز از مرکز می‌باشد. نیروی کریولیس در جهت عمودی با محور چرخشی و با سرعت جسم در محور مختصات چرخش متناسب می‌باشد. نیروی گریز از مرکز به سمت خارج در جهت چرخش حرکت می‌کند و با فاصله جسم از محور مختصات چرخشی نیز متناسب می‌باشد. این سه نیروی مضاف در رده نیروهای اینرسی، نیروهای موهوم و یا نیروهای ساختگی می‌باشند. این نامگذاری در جهت فنی می‌باشد و به معنای ساده تر، این نیروها در مختصات اینرسی نامشخص و ناپدید می‌باشند.

معادلات مربوط به نیروی کریولیس

در سال ۱۸۳۵ توسط یک دانشمند فرانسوی به نام گاسپارد گوستاو کوریولیس در ارتباط با هیدرو دینامیک و همچنین در معادلات جزرومدی پیرسیمون لاپلاس در ۱۷۷۸، منتشر شد.به تازگی در قرن بیستم، معادلات نیروی کریولیس در زمینه هواشناسی مورد استفاده قرار گرفتند.

شاید معمول‌ترین دستگاه مختصات محور چرخشی زمین باشد. حرکت اشیا در سطح زمین باشد.

حرکت اشیا در سطح زمین نیروی کریولیس را ناشی می‌شوند که در نیمکره شمالی به سمت راست و در نیمکره جنوبی به سمت چپ متمایل شده و به نظر می‌رسند. در واقع در استوا، حرکت به سمت غرب یا شرق بروی خط استوا باقی می‌ماند. حرکت اولیه یک پاندول در هر جهت منجر به حرکت در یک مسیر دایره‌ای می‌شود. حرکت هوا در جو و آب در اقیانوس نمونه‌های مشهودی این رفتار می‌باشند. همانند جریان مستقیم از محیط پرفشار به کم فشار، همچنین در یک زمین غیر چرخنده، بادها و روند جریانشان، در شمال خط استوا به سمت راست و در جهت جنوب خط استوا به سمت چپ جریان می‌یابند. این اثر برای چرخش سیکلون‌های بزرگ جوابگو می‌باشد.

 

 

نیروی کوریولیس مصنوع از چرخش زمین

هنگامی که هوا توسط نیروی گرادیان فشار ، آن را تحت یک ظاهر است انحراف از مسیر خود، همانطور که توسط یک ناظر روی زمین مشاهده می شود. این انحراف ظاهری است “نیروی کوریولیس” نامیده می شود و نتیجه چرخش زمین است.

همانطور که هوا از بالا به کم در نیمکره شمالی، توسط نیروی کوریولیس به سمت راست منحرف می شود. در نیمکره جنوبی، هوا در حال حرکت از فشار زیاد به پایین است توسط نیروی کوریولیس به سمت چپ منحرف شد.

میزان انحراف هوا به طور مستقیم با هر دو رابطه دارد سرعت حرکت هوا و عرض جغرافیایی آن. بنابراین، بادهایی که به آرامی می وزند فقط مقدار کمی منحرف می شوند. در حالی که بادهای شدیدتر بیشتر منحرف خواهند شد. به همین ترتیب، بادهایی می وزد نزدیک‌تر به قطب‌ها بیشتر از بادها با همان سرعت منحرف می‌شوند نزدیکتر به استوا نیروی کوریولیس درست در استوا صفر است.

این روند توسط فیلم زیر بیشتر نشان داده شده است.

QuickTime (2.0M) MPEG (0.9M)

مثال زندگی واقعی: این فیلم توپی که روی سطح a می غلتد چرخ و فلک چرخشی یک نمایش مفید است نیروی کوریولیس

 

کتاب اثر کوریولیس 1996 توسط دیو ون دوملن

توجه: این صفحه از http://www.physics.ohio-state.edu/~dvandom/Edu/coriolis.html کپی شده است.
با تشکر از دیو ون دوملن!

---

تقریباً در هر دینامیک کلاسیک یا فیزیک ریاضی وجود دارد متن:

 

-2m (سرعت زاویه ای) x (سرعت در چرخش قاب) نیروی کوریولیس مسئول الگوهای آب و هوایی در مقیاس بزرگ و علت افسانه ای جهت چرخش آب به پایین سینک (اگرچه به طور کلی نیست). اما وقتی سعی می کنیم توضیح دهیم که واقعا چگونه کار می کند، بیشتر فیزیکدان‌ها یک جای خالی می‌آورند، به معادله اشاره می‌کنند و چیزی زیر لب می‌گویند در مورد فریم های مرجع چرخشی این واقعاً تقصیر ما نیست، فقط ما مقصریم تا به حال معادلات و توضیحات قاب چرخشی را دیده اید. این مقاله خواهد شد سعی کنید کارکردهای اساسی اثر کوریولیس را با عبارت الف توضیح دهید غیر فیزیکدان می تواند بفهمد.

 

الف. مقدمات اساسی

مقدمات زیر برای رساندن توضیح ضروری است:

1. قانون اول نیوتن – به طور خاص، اجسام در حال حرکت تمایل به ماندن دارند حرکت – جنبش.
2. هندسه کروی زمین –
   • X درجه طول جغرافیایی به شما فاصله کم و بیش مایل را می دهد عرض های جغرافیایی مختلف،
   • اجسام به طور مؤثری توسط گرانش به سطح محدود می شوند (ضخامت اتمسفر درصد ناچیزی از شعاع زمین است).
3. شتاب گریز از مرکز – اگر سرعت خیلی زیاد باشد جسم این کار را انجام می دهد سعی کنید شعاع آن را افزایش دهید، اگر سرعت خیلی کم باشد جسم سعی خواهد کرد برای کاهش شعاع آن (سقوط). بدست آوردن این یکی می تواند کمی سخت تر باشد برای دانش آموزان، اما خوشبختانه برای همه موارد ضروری نیست.

فرض 2 احتمالاً ساده ترین راه برای پذیرش دانش آموزان است، زیرا شما می تواند روی کره زمین بکشد تا نشان دهد که چگونه یک اینچ در اینجا 15 درجه و 30 است درجه در آنجا و یک مقایسه ساده از ضخامت تروپوسفر به اندازه زمین آن را کامل می کند. 1 و 3 حداقل کمی نیاز دارند پیشینه علمی یا چند نمایش برای متقاعد کردن دانش آموزان.

 

ب. حرکت زمین را زیر پایم احساس می کنم: حرکت شمال/جنوب

بدون فرض 3، هنوز هم می توانید به طرز قانع کننده ای کوریولیس را توصیف کنید اثر بر روی اجسامی که به سمت شمال یا جنوب حرکت می کنند.

زمین با سرعت زاویه ای ثابت به سمت شرق می چرخد، اما عرض های جغرافیایی مختلف سرعت های خطی متفاوتی دارند. نقطه ای در خط استوا باید در یک روز دورتر از یک نقطه در اوهایو رفت، بنابراین باید سریعتر پیش رفت.

با این حال، زمانی که یک جسم شروع به حرکت به سمت شمال یا جنوب می کند و محکم نیست متصل به زمین (هوا، آتش توپخانه و غیره) سپس آن را حفظ می کند سرعت اولیه به سمت شرق در حین حرکت. جسمی که از استوا خارج می شود حفظ می شود سرعت اجسام دیگر در خط استوا به سمت شرق است، اما اگر به دور سفر کند بس که دیگر با همان سرعت زمین زیر آن به سمت شرق نمی رود است.

نتیجه این است که جسمی که از خط استوا دور می شود خواهد بود سریعتر از زمین به سمت شرق حرکت می کند و به نظر می رسد که برخی مجبور به شرق می شوند نیروی مرموز اجسامی که به سمت استوا حرکت می کنند بیشتر خواهند رفت به آرامی از زمین زیر آنها و به نظر می رسد که مجبور به غرب می شوند. که در در واقعیت هیچ نیروی واقعی درگیر نیست، زمین به سادگی در حال حرکت است سرعت متفاوتی نسبت به جسم مورد استفاده قرار می گیرد.

نمودار سمت راست را در نظر بگیرید. فلش نارنجی نشان دهنده برخی است جسم فرستاده شده به شمال از استوا. تا زمانی که به برچسب می رسد عرض جغرافیایی شمالی، بیشتر از یک نقطه روی زمین به سمت شرق رفته است از آنجایی که سرعت خود را به سمت شرق از جایی که شروع کرده بود حفظ کرد. به همین ترتیب، فلش زرد با سرعت کمتری به سمت شرق از خط استوا دور شد، و به اندازه زمین در خط استوا به شرق نمی رود… به نظر می رسد منحرف می شود غرب از نظر زمین

ج. شما مرا به دور درست می‌چرخانید عزیزم: حرکت شرق/غرب

مورد انحراف کوریولیس در اجسامی که به سمت شرق و غرب حرکت می کنند a کمی پیچیده تر است زیرا به یک مفهوم کمی سخت تر و همچنین به آن بستگی دارد این واقعیت که جسم به سطح کره محدود می شود. در عدم وجود هیچ گونه محدودیتی (مانند جاذبه یا زمین) تأثیر زیادی دارد کمتر قابل توجه است.

دوباره با یک جسم در یک عرض جغرافیایی خاص که در آن زمین است شروع کنید با سرعت معینی به سمت شرق حرکت می کند. حالا آن را به سمت شرق یا غرب حرکت دهید تا یک سرعت متفاوت از سرعت زمین در زیر است.

(مکث سریع برای توضیح شتاب مرکزگرا به طور خلاصه.)

(شتاب مرکزگرا به عنوان شتاب مورد نیاز برای حفظ تعریف می شود جسمی که در یک دایره در شعاع خاصی حرکت می کند. در مورد اشیاء در زمین، شعاع خطی است عمود بر محور چرخش زمین، و شتاب توسط جزء گرانش در آن تامین می شود جهت.)

(اما اثر اساسی همه اینها این است که اگر سریعتر بروید بیش از حد مجاز شتاب مرکزگرایانه شما شروع به پرواز به سمت بیرون می کنید و اگر آهسته تر بروید به سمت داخل می افتید. یک نمایش خوب از این است که یک توپ متصل به طناب الاستیک را بچرخانید: سریعتر بچرخید و به بیرون می رود، آهسته تر بچرخد و وارد می شود.)

در نتیجه، اجسامی که به سمت شرق حرکت می کنند می خواهند به سمت خارج به فضا پرواز کنند و اجسامی که به سمت غرب حرکت می کنند می خواهند به سمت محور زمین بیفتند. با این حال، گرانش بیشتر اجسام را از پرواز دور نگه می دارد و زمین جلوی اشیا را می گیرد از سقوط مستقیم به محور. بیشتر اشیاء به تعداد کمی محدود می شوند مایل لایه ضخیم در سطح، و در حالی که آنها می توانند بالا و پایین بیایند، بهترین راه برای تغییر شعاع آنها انحراف به شمال یا جنوب است.

اشیاء محدود به شرق سعی می کنند مستقیماً بیرون بروند، اما همانطور که در نشان داده شده است نمودار سمت چپ، آنها به عنوان بهترین راه به سمت استوا می روند شعاع آنها را از محور افزایش دهید. اجسام محدود به غرب “لغزش” خواهند داشت از زمین فاصله بگیرید و از استوا به سمت جایی که شعاع کوچکتر است حرکت کنید. در مواردی که حرکت به اندازه کافی نیست که جسم را به سمت بالا یا محدودیت های پایین تر، به سادگی دور شدن از محور موقعیت بالا را ایجاد می کند زمین بیشتر به سمت جنوب حرکت کند و حرکت به سمت محور یک جسم را می گیرد شمال دورتر

D. قرار دادن آن در کنار هم: سیستم های کم فشار

نتیجه کلی هر یک از این انحرافات این است که چیزی در نیمکره شمالی که در یک جهت حرکت می کند به سمت منحرف می شود حق خود را نسبت به یک ناظر در زمین. در مورد الف سیستم فشار کم که در آن همه چیز به سمت پایین حرکت می کند، ایجاد یک گرداب در حال چرخش، همانطور که در سمت راست دیده می شود.

زیرا تا حد زیادی به میزان تفاوت بین یک بستگی دارد سرعت جسم است و سرعت زمین، اثر واقعاً تنها است قابل توجه در سرعت های بالا (هر نوع) یا مسافت های طولانی (شمال/جنوب). بخصوص). سرعت زاویه ای زمین 360 درجه در روز یا 0.2 است میکرو رادیان در ثانیه، بسیار کوچک است. حتی در سرعت باد نسبتاً زیاد اثر کوریولیس در طوفان ها (40 متر در ثانیه) یافت می شود انحراف فقط در حدود ده میکرون در ثانیه مربع. بیش از یک ساعت، این یک انحراف کلی در حدود 100 متر است … در طول یک روز یک انحراف از تقریبا 40 کیلومتر اضافه می شود، اما زمان می برد.

E. آب به راه اشتباه پایین سینک می رود

البته در سینک آشپزخانه سرعت و مقیاس زمانی بسیار کمتر است. در اکثر سینک‌ها، آبی که به سمت زهکشی سرازیر می‌شود، کمتر از یک متر در ثانیه می‌رود. منجر به انحراف فقط یک میکرون در ثانیه به مربع یا کمتر می شود. اگر هر چرخشی از قبل به سینک یا وان پر از آب وجود داشته باشد، باید باشد بسیار کوچک برای اینکه انحراف کوریولیس آن را معکوس کند.

چقدر کند به اندازه کافی کند است؟ خوب، یک محاسبه قدر سریع می توان در اینجا استفاده کرد. شکلی که پس از اولین ثانیه تخلیه یک سینک ظرفشویی دارد به هر طریقی که قرار است به سمت پایین سینک بپیچد تنظیم شده است… فقط پس از شروع حرکت قوی تر می شود (از آنجایی که سرعت به سمت زهکشی می رود برمی دارد). شکل یک ذره متوسط ​​در شعاع ده سانتی متر است از درن، بنابراین یک میکرون در ثانیه مربوط به حدود 2 میکرورادیان است سرعت زاویه ای در ثانیه که می توان قبل از خارج شدن اشیا تغییر داد دست یا حدود 100000 ثانیه در هر چرخش …. یک چرخش در روز، تقریبا. یک مرتبه قدر بدهید یا بگیرید و یک چرخش کامل در ساعت همه چیز است اثر کوریولیس می تواند معکوس شود. حتی دو مرتبه قدر و شما را بگیرید هنوز هم می توان هر چند دقیقه یکباره آب در حال چرخش باشد و همچنان باشد چرخش در جهت “اشتباه” به اندازه کافی برای نادیده گرفتن اثر کوریولیس و رفتن پایین سینک به روش خودش این مطمئناً “به طور قابل مشاهده در حال حرکت نیست.”

البته بسیاری از سینک ها در صورت وجود چرخش قابل مشاهده ای نشان نمی دهند به اندازه ای کوچک که هیچ چرخشی اثری نمی تواند تا یک چرخش خوب کار کند و فقط می تواند مارپیچی اگر آب در حالی که هنوز به طور قابل مشاهده در حال چرخش است خارج شود.

در مورد اینکه آیا توطئه ای در میان تولیدکنندگان سینک برای فروش وجود دارد یا خیر فقط شیرآلات مشوق جهت عقربه های ساعت در جنوب استوا و شیرآلات خلاف جهت عقربه های ساعت در شمال آن موضوعی است که برای یک روز دیگر مطرح است. خواننده تشویق می شود در مجله Science جایی که به من گفته شده است مطالعات جدی ارائه شده است (متاسفانه نمی دانم کدام مسائل است مقاله ها در کدام سال هستند یا حتی در کدام سال … اطلاعات من هنوز دست دوم است). نتایج این بود که بعد از اینکه تمام متغیرها را با دقت کنترل کردید (از a وان چوبی بزرگ، دما را در سرتاسر وان کنترل کنید، زهکشی را داشته باشید لوله ای باشد که به داخل وان کشیده می شود تا از اثرات اصطکاک با وان جلوگیری شود دیوارها، آب را به روش “اشتباه” چرخانده و غیره) و 18 ساعت صبر کنید برای اینکه آب ته نشین شود، آب در واقع به سمت پایین سینک روبه رو می شود جهت ها در دو نیمکره اما این اثر آنقدر ظریف است که آن را هرگز در سینک حمام شما دیده نمی شود.

پاسخ کوتاه:

به بیان ساده، اثر کوریولیس باعث می‌شود که چیزهایی (مانند هواپیماها یا جریان‌های هوا) که مسافت‌های طولانی را در اطراف زمین طی می‌کنند، برخلاف یک خط مستقیم، در یک منحنی حرکت کنند.

یک “نیروی” قدرتمند

اثر کوریولیس از نام ریاضیدان و فیزیکدان فرانسوی گاسپارد گوستاو دو کوریولیس نامگذاری شده است.

این بر الگوهای آب و هوا تأثیر می گذارد، بر جریان های اقیانوسی تأثیر می گذارد و حتی بر سفرهای هوایی تأثیر می گذارد. همانطور که اثر کوریولیس مهم است، بسیاری در مورد آن چیزی نشنیده اند و حتی کمتر آن را درک می کنند. به زبان ساده، اثر کوریولیس باعث می‌شود چیزهایی (مانند هواپیماها یا جریان‌های هوا) که مسافت‌های طولانی را در اطراف زمین طی می‌کنند، برخلاف یک خط مستقیم، در یک منحنی حرکت کنند.

این پدیده بسیار عجیبی است، اما علت آن ساده است: نقاط مختلف زمین با سرعت های متفاوتی حرکت می کنند.

منظور شما از حرکت قسمت هایی از زمین با سرعت های مختلف چیست؟

به این فکر کنید: 24 ساعت طول می کشد تا زمین یک بار بچرخد. اگر یک پا در سمت راست قطب شمال یا جنوب ایستاده اید، به این معنی است که 24 ساعت طول می کشد تا در دایره ای به دور حدود شش فوت حرکت کنید. این حدود 0.00005 مایل در ساعت است.

با این حال، به سمت استوا بروید و همه چیز متفاوت است. هنوز هم همان 24 ساعت طول می کشد تا زمین بچرخد، اما این بار کل محیط سیاره را طی می کنیم که حدود 25000 مایل طول دارد. یعنی فقط با ایستادن در آنجا تقریباً 1040 مایل در ساعت سفر می کنید.

مسافت کوتاه‌تر برای سفر در مدت زمان مشابه به معنای سرعت کمتر و نزدیک‌تر شدن به قطب است.

بنابراین با وجود اینکه همه ما روی زمین هستیم، فاصله ما از خط استوا تعیین کننده سرعت رو به جلوی ما است. هر چه از خط استوا دورتر باشیم کندتر حرکت می کنیم.

باشه. بنابراین چگونه از سفر در یک خط مستقیم جلوگیری می کند؟

سؤال خوبی بود! حالا به این فکر کنید: شما در قطاری هستید که با حداکثر سرعت حرکت می کند و از قطاری رد می شوید که کمی کندتر حرکت می کند. به دلایلی مرموز می بینید که در این قطار کندتر یک هدف فوتبال وجود دارد. همیشه آماده هستید، اتفاقاً یک توپ فوتبال در دست دارید و می خواهید یک ضربه ترفند چشمگیر بزنید.

وقتی حتی با قطار کندتر هستید، مستقیماً به سمت دروازه شوت می‌زنید. حتی اگر هدف شما مرده است، توپ به کناره می رود و تور را از دست می دهد. به این دلیل که توپ نه تنها در جهت دروازه، بلکه در جهت (و سرعت) قطار شما نیز حرکت می کند.

این همان چیزی است که در تلاش برای شوت ترفند ما اتفاق می افتد.

بیایید وانمود کنیم که این قطارها در عرض های جغرافیایی مختلف زمین هستند و یک قطار قرمز دیگر اضافه کنیم. دو قطار قرمز را به عنوان مناطق استوایی شمالی و جنوبی و قطار آبی را به عنوان خط استوا در نظر بگیرید. قطارهای قرمز کندتر از قطار آبی حرکت می کنند. به یاد داشته باشید، هر چه از خط استوا دورتر می شوید، کندتر حرکت می کنید.

حالا بیایید قطارهایمان را روی یک کره زمین شکل واقعی قرار دهیم:

قطارها هنوز با سرعت های متفاوتی حرکت می کنند، اما اکنون به نظر می رسد که به موازات یکدیگر حرکت می کنند.

حتی اگر قطارهای قرمز کندتر از قطار آبی حرکت می کنند، از آنجایی که آنها مسافت کوتاه تری را طی می کنند، از دید پرنده به نظر می رسد که با همان سرعت حرکت می کنند. البته این بدان معنا نیست که شات ترفند شما رفتار متفاوتی خواهد داشت.

از دید پرنده، به این صورت است:

یک نمای چشم پرنده.

و این همان انحرافی است که ما در مورد آن صحبت می کنیم! هر چیزی که مسافت‌های طولانی را طی می‌کند، مانند جریان‌های هوا، جریان‌های اقیانوسی که توسط هوا رانده می‌شوند، و هواپیماها، همه به دلیل اثر کوریولیس منحرف می‌شوند! عجیب است، درست است؟

اثر کوریولیس

آموزش جریان ها

 

نسخه کوتاه

در یک سیستم مرجع دوار، به عنوان مثال زمین، اجسام متحرک از دید ناظر دوار منحرف می شوند.

نیروی کوریولیس منتسب به این انحراف در سال 1835 به نام فیزیکدان فرانسوی گاسپارد گوستاو دو کوریولیس نامگذاری شد .

بنابراین چرخش زمین به دور محور خود باعث انحراف توده های هوا و توده های آب در حال حرکت می شود.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -1-

1. چرخش زمین و پیامدهای آن

 

 

زمین حول محور شمال به جنوب خود می چرخد. برای یک چرخش کامل (360 درجه) 24 ساعت طول می کشد.
در
طول این مدت مکان های مختلف روی سطح زمین مسافت های مختلفی را طی می کنند.
به عنوان مثال Uganda U در استوا (0° nL) 40000 کیلومتر را در 24 ساعت
پوشش می دهد. این منجر به سرعت 463 متر بر ثانیه در جهت غرب به شرق می
شود.

لنینگراد (60 nB) 20000 کیلومتر را در 24 ساعت طی می کند.
این سرعت 231 متر بر ثانیه را می دهد.

قطب شمال هیچ مسافتی را طی نمی کند. بنابراین سرعت آن 0 متر بر ثانیه است.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -2-
2. انحراف “ظاهری” یک حرکت به سمت استوا

 

 

الف)
اگر یک ذره هوا روی کره زمینی که تصور می شود از قطب شمال در حال سکون است
به یک مکان استوایی معین حرکت کند، فقط باید در یک خط مستقیم حرکت کند و
مثلاً پس از 6 ساعت به آنجا برسد. .

 

 

 

ب)
اگر یک ذره هوا بر روی یک کره زمینی در حال چرخش از قطب شمال در جهت مکان
استوا U حرکت کند، مکان مورد نظر در زمان پرواز 6 ساعته ذره، یعنی هوا،
10000 کیلومتر بیشتر به سمت شرق حرکت کرده است. ذره هدف خود را از دست می
دهد

 

اگر
مسیر حرکت ذره را روی سطح زمین ترسیم کنیم، به نظر می رسد که هوا به سمت
راست منحرف شده است (در جهت پرواز !l! مشاهده می شود). حرکت شمال به جنوب
تبدیل به «جنبش شرق به غرب» می شود.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -3-

3. انحراف “ظاهری” یک حرکت به سمت قطب

 

 

الف)
اگر یک ذره هوا بر روی کره زمینی که تصور می شود از اوگاندا از طریق
لنینگراد L به سمت قطب شمال در حال استراحت است حرکت کند، فقط باید در یک
خط مستقیم حرکت کند و مثلاً پس از 6 ساعت به قطب شمال می رسد.

 

ب)
اگر یک ذره هوا بر روی یک نقطه استوایی بر روی یک کره در حال چرخش قرار
بگیرد، در واقع با سرعت 463 متر بر ثانیه به سمت شرق حرکت می کند.

 

 

 

 

 

 

ج)
اگر یک ذره هوا از یک مکان استوایی به سمت شمال حرکت کند، نه تنها این
مولفه سرعت را در جهت شمال با خود حمل می کند، بلکه یک مولفه سرعت را در
جهت شرق، یعنی سرعت حباب 463 متر بر ثانیه را با خود حمل می کند. این منجر
به یک جهت سرعت واقعی می شود که می تواند از متوازی الاضلاع سرعت خوانده
شود.

 

 

 

با
این حال، از آنجایی که ایستگاه میانی مورد نظر لنینگراد L فقط با سرعت 231
متر بر ثانیه به سمت شرق حرکت می کند، ذرات هوا از کنار لنینگراد به سمت
راست حرکت می کند، که در جهت پرواز دیده می شود. مولفه سرعت شرقی ذره هوا
بیشتر از سرعت شرقی لنینگراد است. اگر مسیر حرکت ذرات هوا را روی سطح زمین
ترسیم کنیم، به نظر می رسد که هوا به سمت راست منحرف شده است. یک جنبش
جنوب به شمال تبدیل به “جنبش غرب به شرق” می شود.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -4-

4. یک آزمایش موارد زیر را به ما نشان می دهد:

نتیجه: ذراتی که ثابت نیستند و در ابتدا روی جسم دوار قرار دارند، به دلیل اینرسی
جرمی، تمایل دارند در یک خط مستقیم یعنی به صورت مماس نسبت به جسم دوار بر
روی آن پرواز کنند و در نتیجه از این جسم دور شوند.

تعبیر این است: بر این اساس، تمام ذرات متحرک در سطح زمین باید به طور مماس از
سطح زمین دور شوند. هیچ نیرویی برای این حرکت خط مستقیم لازم نیست.

با این حال، از روی سطح زمین، چنین حرکتی باید به عنوان یک حرکت رو به بالا
با شتاب تعبیر شود: ناظر نیرویی را علت این امر فرض می کند، به اصطلاح
نیروی گریز از مرکز Z.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -5-

اما در واقعیت، همه ذرات با سطح زمین در مسیرهای دایره‌ای حرکت می‌کنند که
مطابق با دایره‌های عرض جغرافیایی است. با این حال، برای اینکه در یک مسیر
دایره ای باقی بمانید، یک نیروی واقعی برای جلوگیری از حرکت مماس ذرات
مورد نیاز است. این نیرو ذره را وادار می کند تا مسیر دایره ای را طی کند.
آنها را نیروی گرانشی یا نیروی جاذبه جرم یا نیروی گرانش یا وزن یا به
سادگی وزن G جسم مورد نظر می نامند. این نیرو بین زمین و هر جسمی عمل می
کند و همیشه به سمت مرکز زمین هدایت می شود.

در خط استوا، وزن G و حداکثر نیروی گریز از مرکز Z در جهت مخالف عمل می کنند.
این باعث کاهش وزن بدن تقریباً 3 قسمت در هزار می شود. از اینجا می توان
دریافت که نیروی گریز از مرکز به ندرت می تواند تأثیری بر اکثر اجسام
داشته باشد. تنها پس از مدت طولانی قرار گرفتن در معرض توده هایی که می
توانند با اصطکاک بسیار کم حرکت کنند، مانند هوا، قابل توجه می شود.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -6-

اما چرا همه ذرات هوا توسط نیروی جاذبه به سطح زمین کشیده نمی شوند و لایه ضخیمی از مولکول های هوا را در آنجا تشکیل نمی دهند؟

این با تمایل گازهای موجود در هوا به انتشار خنثی می شود: همه مولکول های گاز
تلاش می کنند تا جایی که ممکن است به طور یکنواخت پخش شوند.

توزیع واقعی مولکول های هوا در جو در نهایت از تعامل سه نیرو تشکیل شده است:

– گرانش G به سمت مرکز زمین هدایت می شود،
– تمایل انتشار D گازها به صورت شعاعی به سمت بیرون هدایت می شود.
– و به طور شعاعی خارج از دایره عرض جغرافیایی مرتبط، نیروی گریز از مرکز Z.

علاوه بر این، نیروهای اصطکاکی R نیز وجود دارد که اصولاً در تمام حرکات اثر بازدارنده دارند.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -7-

این نیروی گریز از مرکز در استوا (فاصله زیاد از محور زمین، سرعت مداری زیاد)
بیشترین است و در قطب وجود ندارد (بدون فاصله از محور زمین، بدون سرعت
مداری)، یعنی به فاصله و سرعت مداری بستگی دارد.

هر چه جسم سریعتر در مسیر دایره ای (استوا!) حرکت کند، نیروی گریز از مرکز مؤثر Z بیشتر است.

جهت این نیرو همیشه به صورت شعاعی از مرکز دایره عرض جغرافیایی مرتبط است. با
این حال، از آنجایی که حرکت مماسی فرضی یک ذره بدون نیرو انجام می شود
(ذرات فقط از اینرسی جرم خود پیروی می کنند)، به اصطلاح نیروی گریز از مرکز
Z فقط یک نیروی ظاهری است که فقط یک ناظر دوار برای توضیح ظاهر ظاهری به
سمت بالا استفاده می کند. جنبش.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -8-

برای مثال، اگر ذره ای که قبلاً ساکن نزدیک لنینگراد بوده، با سرعت 100 متر بر
ثانیه در جهت غرب به شرق حرکت کند، سرعت واقعی آن متشکل از سرعت حباب
لنینگراد 231 متر بر ثانیه و سرعت افزوده ذره است. از 100 متر بر ثانیه
ترکیب شده تا 331 متر بر ثانیه.

این افزایش سرعت در مقایسه با ناظر در لنینگراد باعث افزایش نیروی گریز از
مرکز می شود که مقدار آن به سرعت بستگی دارد که روی ذره اثر می گذارد و آن
را در صفحه دایره عرض جغرافیایی مرتبط به سمت خارج می راند.

برای ناظر آنجا، جهت این نیروی گریز از مرکز افزایش یافته نه تنها اثر افزایشی
بر ذرات هوا دارد، بلکه مؤلفه‌ای به سمت استوا هدایت می‌شود که باعث می‌شود
باد غربی (که در جهت پرواز دیده می‌شود!) منحرف شود. حق این جزء فقط در
خود استوا وجود ندارد.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -9-

اگر یک ذره هوای ساکن در نزدیکی لنینگراد با سرعت خود 100 متر بر ثانیه در جهت
شرقی-غربی حرکت کند، سرعت واقعی آن در جهت شرقی به 131 متر بر ثانیه کاهش
می یابد، زیرا سرعت خود در جهت مخالف است. سرعت جذب مکان
این
امر نیروی گریز از مرکز وارد بر ذره را کاهش می دهد، زیرا وابسته به سرعت
است. نیروی گریز از مرکز، که بر خلاف نیروی وارد بر ذرات ساکن مجاور کاهش
می یابد، باعث می شود که ذرات هوا در صفحه دایره عرض جغرافیایی مرتبط فرو
روند.

جهت این حرکت نه تنها اثر کاهشی دارد، بلکه یک مؤلفه جهت شمال نیز دارد که باعث می شود
باد شرقی (که در جهت پرواز دیده می شود) به سمت راست منحرف شود. این جزء
فقط در خود استوا وجود ندارد.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -10-
نتیجه کلی تا کنون را می توان به شرح زیر بیان کرد:

تمام حرکات باد در نیمکره شمالی به سمت راست و در نیمکره جنوبی به سمت چپ منحرف می شود.

نیروی ظاهری که باعث این حواس پرتی می شود، نیروی CORIOLIS نامیده می شود. در نهایت از چرخش زمین حاصل می شود.

جهت مؤثر این نیروی انحرافی اصولاً جهت حرکت را زاویه راست تا لحظه ای نشان می دهد.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -11-

علت حرکت هوا معمولاً وجود یک گرادیان فشار است که به نوبه خود در اثر گرم شدن متفاوت توده های هوا ایجاد می شود.

این گرادیان فشار منجر به نیرویی به نام نیروی گرادیان فشار، D می شود که در
جهت کاهش فشار هوا است. بنابراین باد در درجه اول یک حرکت یکسان سازی فشار
هوا است.

از آنجایی که نیروی کوریولیس باعث انحراف راست در نیمکره شمالی می شود و
همیشه با جهت حرکت فعلی در زوایای قائم است، ذرات هوا حداکثر تا زمانی که
نیروی گرادیان فشار D و نیروی کوریولیس C به اندازه یکسان باشند به سمت
راست منحرف می شوند. و در جهت مخالف هدایت می شوند و یکدیگر را خنثی می
کنند.

از این پس هوا در یک خط مستقیم و موازی با ایزوبارها (= باد ژئوستروفیک) حرکت می کند.
این از یکسان سازی سریع فشار جلوگیری می کند، زیرا توده های هوای متحرک هدف
واقعی خود را از دست می دهند.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -12-

در مورد ایزوبارهای منحنی، برای مثال وقتی بادها به صورت مارپیچی در نواحی
پرفشار و کم فشار می چرخند، نیروهای گریز از مرکز K این حرکت دایره ای نیز
علاوه بر نیروی کوریولیس C رخ می دهد که همیشه به صورت شعاعی به سمت بیرون
بر روی ذرات هوای متحرک عمل می کند.

در ناحیه کم فشار، نیروی گریز از مرکز K و نیروی کوریولیس C با هم به سمت
بیرون در برابر نیروی گرادیان فشار D که به مرکز پایین اشاره می کند، عمل
می کنند.

حتی در سرعت‌های کم باد نیز تعادلی بین این سه نیرو وجود دارد و این منجر به حرکت
دایره‌مانند توده‌های هوا در جهت خلاف جهت عقربه‌های ساعت در اطراف کم (=
باد سیکلوستروف ژئوستروفیک) می‌شود.

 

از آنجایی که نیروی کوریولیس از یک طرف وابسته به سرعت است و از طرف دیگر در
نزدیکی خط استوا کاهش می یابد، فقط در سرعت های زیاد باد انحراف قابل توجهی
از باد وجود دارد و در نهایت بین نیروی گرادیان فشار تعادل وجود دارد. و
نیروی کوریولیس

پیامد این امر این است که شیب فشار نسبتاً سریع توسط حرکات هوا جبران می شود،
زیرا توده های هوای متحرک در واقع (بدون انحراف عمده) به سرعت به مناطق با
فشار هوای پایین تر می رسند. بنابراین بادهای اینجا مدت کوتاهی دارند (=
“منطقه سرد”).

از سوی دیگر، حتی اختلاف فشار کوچک در اینجا برای ایجاد بادهایی با سرعت
بالاتر در جهت گرادیان فشار کافی است، زیرا اثر انحرافی و در صورت انحراف
شدید، در نهایت اثر ترمز نیروی کوریولیس در اینجا کم است.

این تصور که انحراف ثابت توده های هوا به سمت راست در نهایت منجر به حرکت
دایره ای تک تک ذرات هوا می شود، صحیح نیست، زیرا علت باد، یعنی گرادیان
فشار، تنها در یک جهت است و اثر انحرافی نیروی کوریولیس می آید. حداکثر
زمانی که نیروی گرادیان فشار D و نیروی کوریولیس C یکدیگر را خنثی کنند،
متوقف می شود. نیروی کوریولیس هنوز وجود دارد، اما دیگر اثر منحرف کننده
دیگری ندارد. بنابراین، یک باد می تواند حداکثر تا 90 درجه از جهت حرکت
اصلی خود منحرف شود (اگر جهت گرادیان فشار در این بین تغییر نکرده باشد).

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -13-

در یک ناحیه پرفشار، نیروی گریز از مرکز K و نیروی گرادیان فشار D به سمت
بیرون در یک جهت عمل می کنند. فقط یک نیروی کوریولیس بزرگ C، که فقط در
سرعت باد زیاد رخ می دهد، منجر به تعادل نیروها و در نتیجه به حرکت دایره
مانند ذرات هوا در جهت عقربه های ساعت در اطراف مرکز اوج می شود.

از این نتیجه می شود که با افت فشار یکسان و در همان عرض جغرافیایی، سرعت باد یک کم کمتر از یک زیاد است.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -14-

نیروی اصطکاک زمین R حرکت هوا را در لایه های هوای پایینی کند می کند.

باید بدانید که نیروهای اصطکاکی همیشه دقیقاً در جهت مخالف جهت لحظه ای حرکت جسم عمل می کنند.

در نتیجه، سرعت باد پایین‌تر می‌ماند و نیروی کوریولیس منحرف کننده وابسته به
سرعت نیز پایین‌تر می‌ماند. تعادل بین نیروی گرادیان فشار D و نیروی
کوریولیس C به دست نمی آید.

بنابراین

باد دیگر به صورت زمین شناسی نمی وزد، یعنی موازی با ایزوبارها، بلکه
مستقیم تر به مناطق با فشار پایین تر (= باد ژئوستروفیک) می وزد.

از این قانون باد باریک پیروی می کند (Buys-Ballot 1847)

ناظری که باد را در پشت خود احساس می کند (در نیمکره شمالی) فشار هوای بالایی در
سمت راست پشت خود و فشار پایین در سمت چپ در مقابل خود دارد.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -15-

 

منبع: theory.gsi.de/~vanhees/faq-pdf/coriolis.pdf – هولگر اسمولینسکی (محدودیت حرکات جنوب به شمال در نیمکره شمالی)

نیروی کوریولیس Fc را می توان با استفاده از فرمول زیر محاسبه کرد:

Fc=(4•pi•m•v•siny)/T

که
در آن m جرم جسم متحرک، v مقدار سرعت در جهت شمال یا جنوب (بر حسب متر بر
ثانیه!)، sin y سینوس زاویه y عرض جغرافیایی و T دوره چرخش است. 24 ساعت =
86400 ثانیه).

بنابراین نیروی کوریولیس به عرض جغرافیایی y بستگی دارد و بنابراین در قطب ها بیشترین است (قطب: sin 90° = 1؛ استوا: sinO° = 0)

نیروهای معمولی کوریولیس در زندگی روزمره چقدر بزرگ هستند؟

چند نمونه:

مثال 1)
• قطاری با جرم 1000 تن به سمت شمال در عرض جغرافیایی 52 درجه با سرعت 250
کیلومتر در ساعت حرکت می کند. نیروی کوریولیس چیست؟ (250 کیلومتر بر
ساعت = 69.4 متر بر ثانیه)

Fc=(4•pi•m•v•siny)/T = (4•3,14•10hoch6kg•69,4 m/s•sin52°) / 86400s =~ 8000N

در
عرض جغرافیایی 52 درجه، نیرویی معادل 8000 نیوتن را به سمت راست/شرق تجربه
می کند. اگر قطار به سمت جنوب حرکت می کند، این بار به سمت راست، یعنی
غرب، نیروی مشابهی را نیز تجربه می کند. اگر این قطار 1000 متر طول داشته
باشد، یعنی از 50 واگن که هر کدام دارای 4 محور است، هر چرخ باید 20 نیوتن
اعمال کند. 2 کیلوگرم) نیروی جانبی اضافی برای نگه داشتن قطار در مسیر.

شتاب کوریولیس ac=(4•pi•v•siny)/T است زیرا a = F/m .

مثال 2)
• پرتابه توپخانه ای که در آلمان (50 درجه y=) با سرعت 800 متر بر ثانیه
به سمت شمال پرواز می کند، شتاب جانبی (ac=(4•pi•v•siny)/T تقریباً 0.09
متر بر ثانیه را تجربه می کند. زمان پرواز 60 ثانیه، به این معنی که در
فاصله 48 کیلومتری هدف را 162 متر از دست خواهد داد (s=1/2•a•t². این حدود
0.34٪ از مسافت پرواز است)

مثال 3)
صفحه آونگ آونگی که آزادانه در حال چرخش است، در یک روز غیر طبیعی (23
ساعت و 56 دقیقه و 4 ثانیه) در 360 درجه ضرب در سینوس عرض جغرافیایی (آونگ
فوکو) می چرخد. این را می توان به وضوح در قطب ها توضیح داد، جایی که
زمین به سادگی زیر آونگ می چرخد. آونگ فوکو در استوا نمی چرخد.

مثال 4)
• اپراتورهای جرثقیل باید نیروی کوریولیس را نیز در نظر بگیرند: اگر باری
از جرثقیل برجی معلق باشد و این بار در جهت شعاعی در امتداد بازوی حرکت
داده شود و جرثقیل بچرخد، نیروی کوریولیس در جهت عمود بر بازوی عمل می کند.
از دید راننده جرثقیل در برج، بار به طرفین منحرف می شود (بسته به اینکه
بار به سمت برج یا از آن دور شود) به سمت راست یا چپ منحرف می شود.

تأثیر نیروی کوریولیس بر بادها -16-
قدرت نیروی کوریولیس (محدودیت در حرکات جنوب به شمال در نیمکره شمالی)

قدرت نیروی کوریولیس Fc بسته به عرض جغرافیایی را نیز می توان بدون فرمول تخمین زد:

در
اثر چرخش زمین، جسمی در خط استوا با سرعت v=463 متر بر ثانیه به سمت شرق
حرکت می کند، هر چه بیشتر به سمت شمال باشد، این سرعت شرقی کمتر می شود.

اگر
توده های هوا به اندازه 1000 کیلومتر (1/10 فاصله تا قطب) از خط استوا به
سمت شمال حرکت کنند، به ناحیه ای می آیند که با v = 456 متر بر ثانیه حرکت
می کند.

به دلیل
تفاوت در این سرعت های شرقی، اثر کوریولیس بوجود می آید.قدرت اثر کوریولیس
به تفاوت سرعت چرخش در عرض های جغرافیایی مختلف بستگی دارد.محاسبه سرعت
چرخش و تفاوت آنها در هر 9 درجه (هر 1000 کیلومتر) در یک نتایج جهت شمال
لیست زیر: (به تصویر سمت چپ مراجعه کنید)

همانطور
که به وضوح می بینید، اختلاف سرعت بین نقطه شروع و مقصد توده های هوا در
نزدیکی قطب ها بیشتر است، بنابراین قدرت نیروی کوریولیس نیز در آنجا
بیشترین است.

این اثر توسط Veit Froer است و همچنین می توانید آن را در وب سایت نویسنده پیدا کنید . از ارائه داده ها و اطلاعات شما بسیار سپاسگزارم.

مباحث نجوم در مدرسه

حرکت مارپیچ در هسته بیرونی زمین در نتیجه نیروی کوریولیس

نزدیکی چشمگیر محور مغناطیسی زمین به محور چرخش زمین حاکی از تأثیر چرخش بر میدان مغناطیسی زمین است . طبق مدل‌های مگنتوهیدرودینامیک امروزی ، این نتیجه از برهمکنش فرآیندهای همرفتی و القایی در مواد فلزی رسانای الکتریکی است که در هسته بیرونی زمین به دلیل گرادیان‌های دما به حرکت در می‌آیند . این یک میدان مغناطیسی را القا می کند ، به طوری که، مشابه اصل دینامو-الکتریک، از طریق بازخورد مثبت یک دینام خودپایدار (“ژئودینامو”) تحت تأثیر نیروی کوریولیس در هسته بیرونی زمین ایجاد می‌شوند ایجاد می شود. در ارتباط با نیروهای دیگر، گرداب‌های استوانه‌ای که می‌تواند منجر به یک میدان مغناطیسی دوقطبی شود.