نیروی کویولیس در فیزیک و اثرات آن
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.
نمایشگر ویدیو
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.
نمایشگر ویدیو
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.
اهمیت نیروی کوریولیس در فیزیک
- افراد کلیدی:
- گوستاو-گاسپارد کوریولیس
علم در ثانیه (www.scienceinseconds.com) ( یک شریک انتشاراتی بریتانیکا ) همه ویدیوهای این مقاله را ببینید
اثر نیروی کوریولیس ظاهری انحراف مسیر جسمی است
که در یک سیستم مختصات . شی در واقع از مسیر خود منحرف نمی شود ، اما به نظر می رسد که به دلیل حرکت سیستم مختصات این کار را انجام می دهد.
اثر کوریولیس در مسیر حرکت یک جسم به صورت طولی آشکارتر است. روی زمین ، جسمی که در امتداد یک مسیر شمالی-جنوبی، یا طولی ، در نیمکره شمالی به سمت راست و در نیمکره جنوبی به چپ دچار انحراف ظاهری می شود. دو دلیل برای این پدیده وجود دارد: اول اینکه زمین به سمت شرق می چرخد. و دوم، سرعت یک نقطه روی زمین تابعی از عرض جغرافیایی است (سرعت اساساً در قطب ها صفر است و استوا به حداکثر مقدار می ). بنابراین، اگر توپی از نقطه ای در استوا به سمت شمال شلیک می شد، پرتابه به سمت شرق مسیر شمالی خود فرود می آمد. این تغییر به این دلیل رخ می دهد که پرتابه در استوا سریعتر از هدفش به سمت شمال حرکت می کند. به سمت استوا شلیک شود قطب شمال ، پرتابه دوباره در سمت راست مسیر واقعی خود فرود می آید. در این حالت، ناحیه مورد نظر به دلیل سرعت بیشتر به سمت شرق، قبل از رسیدن پوسته به سمت شرق حرکت می کرد. اگر پرتابه در هر جهتی شلیک شود، جابجایی دقیقاً مشابهی رخ می دهد.
بنابراین انحراف کوریولیس با حرکت جسم، حرکت زمین و عرض جغرافیایی مرتبط است.
به همین دلیل، بزرگی اثر با 2νω sin ϕ داده می‌شود، که ν سرعت جسم، ω سرعت زاویه‌ای زمین، و φ عرض جغرافیایی است.
اثر کوریولیس اهمیت زیادی در اخترفیزیک و دینامیک دارد که در آن یک عامل کنترل کننده در جهت چرخش لکه های خورشیدی است. همچنین در علوم زمین ، به ویژه هواشناسی ، زمین شناسی فیزیکی و اقیانوس شناسی ، اهمیت دارد، زیرا زمین یک چارچوب چرخشی مرجع است و حرکات بر روی سطح زمین در معرض شتاب نیروی نشان داده شده است. بنابراین، نیروی کوریولیس در مطالعات دینامیک جو غالب بادهای و چرخش طوفان‌ها را تحت تأثیر قرار می‌دهد، و در هیدروسفر ، که در آن بر چرخش جریان‌های اقیانوسی . همچنین در بالستیک ، به ویژه در پرتاب و چرخش وسایل نقلیه فضایی، توجه مهمی است. مدرن فیزیک ، اعمال کمیتی مشابه هر جا که ولتاژهای لحظه ای تولید شده در ماشین های الکتریکی دوار باید نسبت به چارچوب مرجع متحرک محاسبه شود ولتاژ کریستوفر
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.
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
با تشکر از دیو ون دوملن!
تقریباً در هر دینامیک کلاسیک یا فیزیک ریاضی وجود دارد متن:
