• Сили інерції та їх види

Розглянемо властивості чотирьох сил інерції у правій частині рівняння (1.11.10), позначаючи їх , , , . Першу називають поступальною силою інерції =-==-, де – прискорення руху центра відліку неінерціальної системи координат . Отже, ця сила інерції має протилежний напрямок по відношенню до напряму прискорення поступального руху НІСВ відносно інерціальної системи координат. Сила інерції =- має однаковий модуль і той же напрямок у будь-якій точці неінерціальної системи відліку, де б у ній не знаходилась частинка . Ця властивість даної сили інерції випливає з того, що при поступальному русі тіла і зв’язаної з ним неінерціальної системи координат усі точки тіла мають однакові прискорення і швидкості.

Сталість сили в усіх точках НІСВ зумовлює однорідність поля прискорень цієї сили. Тому для будь-якого протяжного тіла в НІСВ результуюча усіх сил інерції , що прикладені до його окремих точок з масами , буде мати за точку прикладання центр мас усього тіла. Поле прискорень зі схожими властивостями має звична для нас сила тяжіння , якщо знехтувати невеликою неоднорідністю гравітаційного поля Землі (тобто вважати поле прискорень вільного падіння однорідним).

Сила інерції =- пов’язана з нерівномірним рухом НІСВ. З формули її означення випливає, що вона перпендикулярна до відносного радіуса-вектора , тому пропонується називати її тангенціальна сила інерції. Наприклад, при збільшенні кутової швидкості каруселі з нерухомою віссю Обертання, ця сила дійсно дотикається до кола, по якому рухається частинка внаслідок обертання НІСВ (Мал.1.11.3).

Нерівномірність обертання Землі навколо власної осі невелика, тому для тіл на її поверхні вплив тангенціальної сили інерції дуже малий і ним нехтують. З означення цієї сили випливає, що вона максимальна для точок екватора Землі (зміна вектора Землі по напряму надзвичайно мала, зміна його модуля помітна лише за допомогою надчутливих фізичних приладів по зміні тривалості доби).

У всіх без винятку випадках поле прискорень неоднорідне, модуль створюваного нею прискорення збільшується при віддаленні частинки від початку відліку НІСВ.

Відцентрова (нормальна) сила інерції =- пов’язана з обертанням НІСВ і обертається у нуль для всіх точок на осі її миттєвого обертання, швидко збільшуючись при віддаленні частинки від осі обертання НІСВ. Модуль відцентрової сили інерції можна записати у вигляді

(1.11.11)

Де – довжина перпендикуляра, проведеного з точки розташування частинки до осі миттєвого обертання НІСВ.

Ми зустрічаємось з проявами відцентрової сили інерції при поворотах засобів транспорту, при перебуванні на паркових атракціонах з обертальним рухом тощо. Добове обертання Землі навколо своєї осі створює відцентрову силу інерції, яка викликає залежність прискорення вільного падіння від географічної широти точки розташування тіла. Для невеликих тіл можна знехтувати неоднорідністю поля сили (це непогане наближення для тіл на поверхні Землі) і вважати її прикладеною у центрі мас тіла.

Якщо врахувати неоднорідність поля прискорень у межах тіла, то її результуюча виявиться прикладеною у точці, що не співпадає з центром мас тіла, для однорідних тіл вона зміщена від осі Обертання НІСВ на більшу відстань, ніж центр мас тіла.

Сила Коріоліса = виділяється серед інших сил інерції в НІСВ тим, що її характеристики залежать від вектора відносної швидкості частинки . Як і поступальна сила інерції, сила Коріоліса не залежить від координат частинки в НІСВ. Ця сила виявляється у зміщенні убік рухомої частинки, якщо тільки її швидкість не паралельна до осі миттєвого обертання НІСВ. Вектор завжди перпендикулярний до вектора миттєвої швидкості рухомої частинки, тому він змінює напрям цієї швидкості, не змінюючи модуля. Кінетична енергія частинки не змінюється під впливом сили Коріоліса.

Сила Коріоліса завжди перпендикулярна до осі миттєвого обертання НІСВ (до вектора ). При нерівномірному обертанні або при зміні напряму відносної швидкості , вектор сили Коріоліса змінюється. Якщо згадані вектори незмінні, то сила Коріоліса стала, поле її прискорень однорідне і не залежить від відстані до осі обертання НІСВ. У випадку руху тіл біля поверхні Землі прояви дії сили Коріоліса вивчені докладно. Наприклад, відхилення вільно падаючих тіл від вертикалі і посилене розмивання річкою одного із берегів помічені і пояснені ще у минулому сторіччі.

З точки зору спостерігача, що нерухомий відносно НІСВ, щойно згадані явища пояснюються законами збереження механічного руху. Наприклад, якщо такий спостерігач досліджує явище падіння тіла з точки 1 (Мал.1.11.4), де воно мало швидкість , лишаючись на початку нерухомим відносно точки 2 земної поверхні, яка з швидкістю рухається на схід, то він міркуватиме так: падаючи униз, тіло зберігатиме швидкість , а опустившись униз, до точки 2 з меншою швидкістю , падаюча частинка обжене її у зміщенні на схід. Інерціальний спостерігач пояснює зміщення законом збереження імпульсу, спостерігач на поверхні Землі – дією сили Коріоліса, напрямленою з його точки зору так, як показано на Мал.1.11.4.

Аналогічно пояснюється підмивання річками правого берега у північній півкулі. Наприклад, при русі на північ уздовж меридіану річкова вода (Мал.1.11.4) потрапляє у зону менших швидкостей точок поверхні Землі, змішується на більший кут на схід, що спричинює посилене розмивання правого берега. При русі на південь вода річки відстає від точок поверхні Землі, що сприймається нами як прояв зміщення її убік під дією сили Коріоліса. І в цьому випадку підмивається правий берег. Переконайтесь самостійно, що у південній півкулі зміщення води річок відбувається вліво від напряму руху.

Хоч і сила Коріоліса набагато менша від сили тяжіння, її дія на загально земну циркуляцію води і повітря досить велика, а у деяких випадках – вирішальна. Наприклад, саме дією сили Коріоліса пояснюється широтне розчленування атмосфери на при екваторіальну зону із стійкими вітрами і течіями на захід, на зону сухих стійких антициклонів; відсутності опадів і утворення поясу пустель на трохи вищих широтах. Теплі при екваторіальні течії відхиляються силою Коріоліса у правий бік, рухаються спочатку на північ, а потім на схід, утворюючи замкнений кругообіг теплої води, що ефективно нагріває високі широти. Напрямок руху хмар у циклонах теж пов’язаних з дією сили Коріоліса, вивчення її властивостей дозволяє передбачити рух циклонів, планувати рух транспорту так, щоб уникнути зустрічі з циклонами та тайфунами.