Физика на ладони. Об устройстве Вселенной – просто и понятно - стр. 56

Рис. 5.3 – Траектория мяча с двух разных точек зрения

(а) – траектория с точки зрения человека, стоящего у края дороги (она соответствует пунктирной прямой на рис. 5.2).

(b) – траектория с точки зрения человека в машине (видно, что мяч приближается к правой стенке машины на рис. 5.2).

Центробежная сила

Предположим, что ребенок просто положил мяч на пол карусели. Что произойдет с мячом?

С точки зрения человека рядом с каруселью шарик с самого начала обладает скоростью благодаря вращению карусели. Между тем с его точки зрения мяч будет стремиться продолжать движение прямо, в то время как под ним вращается карусель, то есть мяч в конечном итоге упадет с карусели, как можно видеть на рис. 5.4.а.

С точки зрения ребенка на карусели мяч, сначала неподвижный, катится к краю карусели, потому что в итоге он с нее упадет (➙ рис. 5.4.b): есть ускорение, направленное к краю, что объясняет существование силы инерции в системе отсчета карусели. Речь идет центробежной силе, которая выталкивает каждый предмет за пределы вращающейся системы отсчета.

Именно эту силу мы и описывали в примере с машиной, где мяч катился вправо, когда машина поворачивала налево. Здесь сила также направлена к краю поворота: именно она прижимает пассажиров к правой дверце.

Центробежная сила является частью того, что мы называем силой переноса.

Рис. 5.4 – Происхождение силы Кориолиса

(а) – точка зрения взрослого, сидящего возле крутящейся карусели: он видит мяч, который катится прямо, как и положено.

(b) – точка зрения ребенка на карусели (которая кажется ему неподвижной): он видит, что мяч катится к краю, что видно и на схеме(а).

Необходимо учесть, что мяч изначально неподвижен на схеме(b), а на (а) у него есть скорость благодаря вращению карусели.

Другая составляющая силы переноса

Предположим опять, что шарик изначально неподвижен по отношению к карусели, но карусель на этот раз ускоряет свое вращение.

Поскольку карусель вращается, мяч покатится к краю. Но карусель вращается все быстрее и набирает скорость по отношению к земной поверхности, а мяч стремится сохранить по отношению к земле ту же скорость. Получается, что мяч катится медленнее карусели и начинает катиться к задней части карусели, поскольку сила инерции направлена назад.

Таким образом, здесь одновременно действуют две силы: одна направлена к краю (центробежная), другая назад. Именно совокупность этих двух воздействий называют переносной силой при вращательном движении системы отсчета.

Сила Кориолиса

Нам остается рассмотреть силу, которую мы до сих пор оставляли в стороне. Вернемся к карусели, которая вращается с постоянной скоростью против часовой стрелки: мяч, изначально неподвижный, покатится с ускорением к краю карусели. Предположим, что радиус карусели 4 м и она вращается со скоростью 10 км/ч. Мы положили мяч в 2 м от центра (то есть посередине между центром и краем): с точки зрения человека возле карусели мяч изначально движется со скоростью 5 км/ч.