Силата на Кориолис (видео)

Защо циклоните в северното полукълбо се въртят обратно на часовата стрелка, а в южното полукълбо -по посока на часовата стрелка.

Защо морските течения се движат точно в тази посока? Дали като се изпусне водата от ваната (мивката, тоалетната) в къщи, изтичайки, струята се завърта по посока на часовата стрелка?

Какво представлява силата на Кориолис

Силата на Кориолис е причината за някои от тези явления. Тя е била описана от френския инженер-математик Густав-Гаспар Кориолис през 1835 г. Той доказал, че при използване на традиционните Нютонови закони при движение на телата във въртящи се системи, уравненията за движение трябва да се допълнят със специална сила на инерция, която е насочена надясно по отношение на преместването на тялото, ако въртенето на системата е против часовата стрелка, и наляво в обратния случай. Тя има следното уравнение:

F_Coriolis = -2 m (w . v),

където m е масата на обекта, v е относителната му скорост във въртящата се система, а  w е ъгловата скорост на въртене на системата. Но за да си изясним нещата, уравнението не ни е достатъчно.

За да си представим ефекта на Кориолис, представете си две деца, които си подхвърлят топка на противоположните страни на въртящ се кръг-въртележка. Докато въртележката не се движи, децата могат да хвърлят и хващат топката без проблем. Когато кръгът започне да се върти детето 1 хвърля топката на дете 2. Топката се отправя направо към дете 2 и тя ще продължи да пътува в същата посока. Проблемът е, че когато топката достигне другата страна на въртележката, дете 2 вече не съществува! Заради въртенето то е променило местоположението си. За дете 2 изглежда, че топката криви и се отклонява от него. Дете 1 също мисли, че е хвърлило топката накриво. В действителност топката се движи направо, но децата се въртят.

Всяка точка от повърхността на Земята прави една обиколка за едно денонощие, но заради сферичната й форма, скоростта на въртене на дадена точка зависи от географската й ширина. На екватора, скоростта е почти 1 670 km/h, а на полюсите - 0 km/h. Когато един обект започне да се премества от екватора на север или на юг и не е твърдо закрепен към земята (въздух, вода ), той поддържа своята начална скорост на изток, благодарение на инерцията си. Това е просто приложение на Първия Закон на Нютон. Обектът ще продължава да се движи на изток с една и съща скорост (както посоката така и големината й остават същите) докато нещо не му окаже въздействие, за да измени своята скорост.

Но ако обектът се придвижи достатъчно далече от екватора, то скоростта му на изток няма да същата като скоростта на земята под него.

Обектът, отдалечавайки се от екватора в крайна сметка ще изпревари земната повърхност и ще ни се стори преместен на изток от някаква загадъчна "сила". Обектите, които се движат към екватора пък ще бъдат по-бавни от земята под тях и ще се окажат по-назапад. Това отклонение е наречено кориолисово, на името на френския физик и инженер. В северното полукълбо, кориолисовата сила винаги отклонява пътя на обекта надясно, а в южното - наляво. В действителност няма никаква сила - ние просто определяме резултата от движеща се координатна система.

Това явление има особено значение за метеорологията, геофизиката и океанографята, защото всички движещи се близо до повърхността на Земята обекти са подложени на въздействието му. Така, например, силата на Кориолис има решаващ принос в динамиката на атмосферата, определяйки посоката и силата на преобладаващите ветрове и посоката на въртене на циклоните, а в хидросферата - на посоката океанските течения.

Циклоните

Ако Земята не се въртеше, ветровете щяха да се устремяват право от районите с високо атмосферното налягане към районите с ниско атмосферното налягане, но тя се върти и заради "ефекта на Кориолис" се отклонява.

На схемата е показано как се зараждат тропическите циклони. Вятърът се заражда на екватора и се придвижва на север и на юг в по-високите слоеве на атмосферата. На около 60° географска ширина и в двете полукълба Кориолисовата сила изкривява траекторията му. На тази ширина има високо налягане, поради което въздухът започва да пада. Тъй като въздушните маси се издигат на екватора, там се получава ниско налягане, което привличащо ветрове от север и от юг и така циклона завива отново към екватора.

play

Преобладаващите ветрове

	Вляво е схема на преобладаващите ветрове през януари и през юли. Те са различни през различните сезони, но завихрянията са винаги по посока на часовата стрелка в южното полукълбо и обратно на часовата стрелка-в северното полукълбо. Тези преобладаващи ветрови посоки са силно повлияни от Кориолисовата сила.
	януари юли

Океанските течения

Повърхностните океански течения се предизвикват от преобладаващите ветрове. Обаче под влиянието на триенето и силата на Кориолис, се отклоняват (в северното полукълбо- надясно). С нарастване на дълбочината скоростта на течението намалява и посоката му се отклонява все повече. Това спирално движение се разпростира надолу докато триенето не го погаси. Така става възможно под определена дълбочина, водата може да се отклони на 90 градуса от направлението на вятъра. Този феномен е познат като отклонение на Екман на името на датски морски физик.

Като пуснем водата в тоалетната, можем ли да разберем къде се намираме?

Разпространена заблуда е, че благодарение на силата на Кориолис, водата в мивката се движи в северното полукълбо по часовниковата стрелка, а в южното - обратно. Пътешественици в Кения разказват за туристическа атракция в село, близо до екватора. Хвърлят листа в тас с вода, с дупка на дъното. На няколко метра северно от екватора, листата се завъртат в една посока, а на няколко метра южно - в друга. А точно на екватора водата текла, без да се завърта.

Подобен експеримент е представен от Майкъл Палин във филма на BBC "Пътешествие от полюс до полюс". В Еквадор, в бар, разделен от линията на екватора, местен ентусиаст демонстрира подобен експеримент със специална тенджера с клечки.

Тези демонстрации са фалшификации, защото за да се прояви кориолисовото отклонение са необходими много условия, които са трудноизпълними в домашни условия. Не можете да използвате обикновена мивка, не е симетрична, което компрометира резултатите. Трябва ни овален съд с диаметър поне един метър с малко отверстие в центъра. Тапата трябва да се извади отдолу, за да не се внася някакво случайно движение, като отвора да е малък, за да изтича водата достатъчно бавно, а тя предварително да е в покой поне седмица и тогава може да сме сигурни, че опитът е "чист" и потокът ще се завърти като тропическите циклони.

И делфините разбират от Кориолисови сили

Ето едно интересно съобщение от Nature: Шведския морски биолог Пол Мангър твърди, че когато спят, делфините се въртят в кръг и посоката, в която се въртят зависи от това в кое полукълбо на света се намират. Пол Мангър предполага. че това е доказателство, че морските бозайници усещат в коя част на света се намират.

Резултатите на Пол Мангър били разкрити най-случайно. Шведския експерт по делфини се преместил временно в Южна Африка където чул, че спящи делфини в делфинариума плуват в кръг по-посока на часовниковата стрелка, докато в северната полукълбо те правили обратното. Пол Мангър прекарал няколко вечери в южно-африканския делфинариум, където снимал поведението на спящите делфини. Резултатите го изненадали. 80% от времето делфините, които живеят в южното полукълбо, плуват в кръг по часовниковата стрелка когато спят, и обратно на часовниковата стрелка - в северното полукълбо.

Пол Мангър предполага, че делфините усещат влиянието на Кориолис и умишлено плуват срещу течението докато спят. Колеги на Пол Мангър са все още скептични, че ефекта на Кориолис може да окаже влияние на делфините, но Пол Мангър е уверен, че морските бозайници имат шесто чувство.

И голите морски охлюви също...

В един специализиран форум за морски голи охлюви - Sea Slug Forum попаднах на оживена дискусия. Морските голи охлюви са от подклас Заднохрили (opisthobranchia) и отлагат яйцата си групирани на ленти във вид на спирали. Един от участниците във форума, Yoshiaki Hirano е изпратил снимката вляво. На нея е Pteraeolidia ianthina, населяващ бреговете на Централна Япония. Японецът твърди, че направлението на спиралата е едно и също - обратно на часовата стрелка, независимо от географската област. Вдясно е снимката на Bill Rudman на лентите от яйца на Rostanga arbutus, район Coffs, Австралия. На нея се вижда ясно, че спиралата е по часовата стрелка, но затова пък местоположението е на юг от екватора. За да се установи някаква зависимост пречи факта, че понякога лентата яйца се започва от външния край, а при други - от центъра.

Все още не са събрани достатъчно доказателства за съществуването на правило, че посоката на спиралата в северното полукълбо е обратна на часовата стрелка, а в южното - по часовата стрелка Това ще бъде пряко потвърждение, че силата на Кориолис има влияние и върху начина на снасяне на яйцата на голите охлюви на морското дъно.

Още по темата

09/09/2015

Животът

Спиралите-кривите на живота

10/09/2015

Животът

Какво определя посоката на спиралите във флората и фауната

08/09/2015

Математика

Спиралата: "Изменяйки се, аз възкръсвам същата"