Kapag pinag-aralan ng pisika ang proseso ng paggalaw ng mga katawan sa mga non-inertial frame of reference, kailangang isaalang-alang ang tinatawag na Coriolis acceleration. Sa artikulong bibigyan namin ito ng kahulugan, ipakita kung bakit ito nangyayari at kung saan ito nagpapakita ng sarili sa Earth.
Ano ang Coriolis acceleration?
Upang masagot nang maikli ang tanong na ito, masasabi nating ito ang acceleration na nangyayari bilang resulta ng pagkilos ng puwersa ng Coriolis. Ang huli ay nagpapakita ng sarili kapag ang katawan ay gumagalaw sa isang non-inertial rotating frame of reference.
Tandaan na ang mga non-inertial system ay gumagalaw nang may acceleration o umiikot sa kalawakan. Sa karamihan ng mga pisikal na problema, ang ating planeta ay ipinapalagay na isang inertial frame of reference, dahil ang angular velocity ng pag-ikot nito ay masyadong maliit. Gayunpaman, kapag isinasaalang-alang ang paksang ito, ang Earth ay ipinapalagay na non-inertial.
May mga fictitious forces sa non-inertial system. Mula sa pananaw ng isang tagamasid sa isang non-inertial system, ang mga puwersang ito ay bumangon nang walang anumang dahilan. Halimbawa, ang sentripugal na puwersa aypeke. Ang hitsura nito ay hindi sanhi ng epekto sa katawan, ngunit sa pagkakaroon ng pag-aari ng pagkawalang-galaw dito. Ang parehong naaangkop sa puwersa ng Coriolis. Ito ay isang kathang-isip na puwersa na sanhi ng mga inertial na katangian ng katawan sa isang umiikot na frame ng sanggunian. Ang pangalan nito ay nauugnay sa pangalan ng Frenchman na si Gaspard Coriolis, na unang nagkalkula nito.
Coriolis force at mga direksyon ng paggalaw sa kalawakan
Kapag nakilala ang kahulugan ng Coriolis acceleration, isaalang-alang natin ngayon ang isang partikular na tanong - sa anong mga direksyon ng paggalaw ng isang katawan sa kalawakan kaugnay ng umiikot na sistema ito nangyayari.
Isipin natin ang isang disk na umiikot sa pahalang na eroplano. Ang isang patayong axis ng pag-ikot ay dumadaan sa gitna nito. Hayaang magpahinga ang katawan sa disk na may kaugnayan dito. Sa pamamahinga, ang isang sentripugal na puwersa ay kumikilos dito, na nakadirekta sa radius mula sa axis ng pag-ikot. Kung walang puwersang sentripetal na sumasalungat dito, lilipad ang katawan mula sa disk.
Ngayon ipagpalagay na ang katawan ay nagsimulang gumalaw nang patayo pataas, iyon ay, parallel sa axis. Sa kasong ito, ang linear na bilis ng pag-ikot nito sa paligid ng axis ay magiging katumbas ng sa disk, ibig sabihin, walang Coriolis force na magaganap.
Kung ang katawan ay nagsimulang gumawa ng radial na paggalaw, iyon ay, nagsimula itong lumapit o lumayo sa axis, pagkatapos ay lilitaw ang puwersa ng Coriolis, na ididirekta nang tangential sa direksyon ng pag-ikot ng disk. Ang hitsura nito ay nauugnay sa pag-iingat ng angular momentum at sa pagkakaroon ng isang tiyak na pagkakaiba sa mga linear na bilis ng mga punto ng disk, na matatagpuan saiba't ibang distansya mula sa axis ng pag-ikot.
Sa wakas, kung ang katawan ay gumagalaw nang tangential sa umiikot na disk, may lalabas na karagdagang puwersa na magtutulak dito patungo sa axis ng pag-ikot o palayo dito. Ito ang radial component ng Coriolis force.
Dahil ang direksyon ng Coriolis acceleration ay tumutugma sa direksyon ng itinuturing na puwersa, ang acceleration na ito ay magkakaroon din ng dalawang bahagi: radial at tangential.
Formula ng puwersa at pagbilis
Ang puwersa at acceleration alinsunod sa pangalawang batas ni Newton ay nauugnay sa isa't isa sa pamamagitan ng sumusunod na relasyon:
F=ma.
Kung isasaalang-alang natin ang halimbawa sa itaas na may katawan at umiikot na disk, makakakuha tayo ng formula para sa bawat bahagi ng puwersa ng Coriolis. Upang gawin ito, ilapat ang batas ng konserbasyon ng angular momentum, pati na rin alalahanin ang formula para sa centripetal acceleration at ang expression para sa relasyon sa pagitan ng angular at linear velocity. Sa buod, ang puwersa ng Coriolis ay maaaring tukuyin tulad ng sumusunod:
F=-2m[ωv].
Narito ang m ay ang masa ng katawan, ang v ay ang linear na bilis nito sa isang non-inertial frame, ang ω ay ang angular velocity ng reference frame mismo. Ang katumbas na Coriolis acceleration formula ay kukuha ng form:
a=-2[ωv].
Ang vector product ng mga bilis ay nasa square bracket. Naglalaman ito ng sagot sa tanong kung saan nakadirekta ang Coriolis acceleration. Ang vector nito ay nakadirekta patayo sa parehong axis ng pag-ikot at ang linear na bilis ng katawan. Ibig sabihin, ang pinag-aralanang acceleration ay humahantong sa isang curvature ng rectilinear trajectory of motion.
Impluwensiya ng puwersa ng Coriolis sa paglipad ng cannonball
Upang mas maunawaan kung paano nagpapakita ang pinag-aralan na puwersa sa pagsasanay, isaalang-alang ang sumusunod na halimbawa. Hayaang ang kanyon, na nasa zero meridian at zero latitude, ay bumaril nang diretso sa hilaga. Kung ang Earth ay hindi umiikot mula kanluran hanggang silangan, ang core ay babagsak sa 0° longitude. Gayunpaman, dahil sa pag-ikot ng planeta, ang core ay mahuhulog sa ibang longitude, inilipat sa silangan. Ito ang resulta ng Coriolis acceleration.
Ang paliwanag ng inilarawan na epekto ay simple. Tulad ng alam mo, ang mga punto sa ibabaw ng Earth, kasama ang mga masa ng hangin sa itaas ng mga ito, ay may malaking linear na bilis ng pag-ikot kung sila ay matatagpuan sa mababang latitude. Sa pag-alis mula sa kanyon, ang core ay may mataas na linear na bilis ng pag-ikot mula kanluran hanggang silangan. Ang bilis na ito ay nagiging sanhi ng pag-anod nito sa silangan kapag lumilipad sa mas matataas na latitude.
Coriolis effect at agos ng dagat at hangin
Ang epekto ng puwersa ng Coriolis ay pinakamalinaw na nakikita sa halimbawa ng mga alon ng karagatan at ang paggalaw ng masa ng hangin sa atmospera. Kaya, ang Gulf Stream, simula sa timog ng North America, ay tumatawid sa buong Karagatang Atlantiko at umabot sa baybayin ng Europa dahil sa nabanggit na epekto.
Kung para sa mga air mass, ang trade wind, na umiihip mula silangan hanggang kanluran sa buong taon sa mababang latitude, ay isang malinaw na pagpapakita ng impluwensya ng puwersa ng Coriolis.
Halimbawang problema
Ang formula para saPagpapabilis ng Coriolis. Kinakailangang gamitin ito upang kalkulahin ang dami ng acceleration na nakukuha ng isang katawan, na gumagalaw sa bilis na 10 m / s, sa latitude na 45 °.
Upang gamitin ang formula para sa acceleration kaugnay ng ating planeta, dapat mong idagdag dito ang pagdepende sa latitude θ. Ang gumaganang formula ay magiging ganito:
a=2ωvsin(θ).
Ang minus sign ay inalis dahil tinutukoy nito ang direksyon ng acceleration, hindi ang modulus nito. Para sa Earth ω=7.310-5rad/s. Ang pagpapalit ng lahat ng kilalang numero sa formula, makakakuha tayo ng:
a=27, 310-510sin(45o)=0.001 m/ c 2.
Tulad ng nakikita mo, ang nakalkulang Coriolis acceleration ay halos 10,000 beses na mas mababa kaysa sa gravitational acceleration.
