10. Неинерциальные системы отсчета. Сила инерции. Сила Кориолиса и ее проявление в природе и технике.
Неинерциальные системы отсчета (НИСО). Уравнение движения материальной точки в НИСО.
Различают
,
,
.
В СО связанные с Землей, на каждое тело
действует
:
– весом называют силу, с кот любое тело
в поле сил тяжести, созданным небесным
объектом, действует на опору или подвес,
кот препятствует свободному падению
тел. Отметим, что сила тяж и веса приложены
к разным объектам: вес – к опоре,
– к телу. Эти силы имеют различную
физическую природу: вес – упругую
природу (электромагнитная), а
– гравитационную. Когда
тела относительно Земли отличается от
по 2 закону Ньютона :
.
Тогда по определению вес тела
.
При свободном падении тела вместе с
опорой (подвесом) вес
равен нулю, т.к.
.
Невесомость
– состояние
тела, при кот оно движется только под
действием силы тяжести. Введение сил
инерции позволяет для ИСО ввести
уравнение, подобное 2-ому з Ньютона,
внешний вид которого сохраняется за
счет введения сил инерции.
,
(уравнение
движения в НИСО),
- ускорение в НИСО.
В
механике НИСО: 1). Ускорение тел вызывается
силами, но эти силы не обязательно
обусловлены действием тел друг друга.
2). в НИСО действуют:
,
кот присутствуют из-за ускоренного
движения сист
относительно K.
3). Все силы инерции, подробно силам
тяготения, пропорциональны массе тел.
Абсолютное
движение –
движение относительно сист К. Относительное
движение – движение
тела относительно движущейся СО.
Переносное
движение – движение,
кот покоится в системе
,
кот движ относительно K.
,
- закон преобразования скорости при
переходе от сит К к сист
,
– ускорение в сист К,
- ускорение в НИСО,
– переносное ускорение, ускорение
относительно К. Формулы
справедливы только для поступательного
переносного движения.
Силы инерции.
Сила
инерции – векторная
величина, численно равная произведению
мат точки на ее ускорение (ускорение
НИСО) и направленная противоположно
ускорению.
.
– геометрическая
сумма всех сил, действующих на данное
тело со стороны
других тел,
– сумма сил
инерции, действующих на тело.
1).
тело покоится во вращающейся с пост
угл скоростью в НИСО:
,
– сила натяжения нити,
– равнодействующая силы тяжести и силы
натяжения нити.
2).
В СО, вращающейся с постоянной
,
на покоящееся в ней тело действует
центробежная
сила инерции
:
.
Переносное ускорение при этом:
.
3).
Тело движется во вращающейся с пост
в НИСО, кот перемещается поступательно
с ускорением
относительно неподвижной ИСО, то
переносное ускорение
.
Действуют 3 силы: 1. поступательная сила
инерции
.
Возникает при поступательном движении
НИСО. 2. Центробежная сила инерции
.Действует
во вращающихся СО и на движущиеся, и на
неподвижные тела, удаленные от оси
вращения на конечное расстояние r.
3. кориолисова сила инерции
.
Действует во вращающейся системе
координат только на движущиеся с
относительной скоростью
тела. Когда скорость эт движения =0, эта
сила исчезает. Она зависит от угловой
скорости вращения и относительной
скорости вращения. Т.о.
,
– сумма сил, действующих на тело со
стороны других тел.
Си́ла Кориоли́са — одна из сил инерции, существующая в неинерциальной системе отсчёта из-за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения. Названа по имени французского учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, впервые её описавшего. Ускорение Кориолиса было получено Кориолисом в 1833 году, Гауссом в 1803 году и Эйлеромв 1765 году.
Причина появления силы Кориолиса — в кориолисовом (поворотном) ускорении. В инерциальных системах отсчёта действует закон инерции, то есть, каждое тело стремится двигаться по прямой и с постоянной скоростью. Если рассмотреть движение тела, равномерное вдоль некоторого вращающегося радиуса и направленное от центра, то станет ясно, что чтобы оно осуществилось, требуется придавать телу ускорение, так как чем дальше от центра, тем должна быть больше касательная скорость вращения. Это значит, что с точки зрения вращающейся системы отсчёта, некая сила будет пытаться сместить тело с радиуса.
Для
того, чтобы тело двигалось с кориолисовым
ускорением, необходимо приложение силы
к телу, равной 
,
где 
—
кориолисово ускорение. Соответственно,
тело действует по третьему закону Ньютона с
силой противоположной направленности. 
Сила,
которая действует со стороны тела, и
будет называться силой Кориолиса. Не
следует путать Кориолисову силу с
другой силой
инерции — центробежной
силой,
которая направлена
по радиусу вращающейся окружности.
Если вращение происходит по часовой стрелке, то двигающееся от центра вращения тело будет стремиться сойти с радиуса влево. Если вращение происходит против часовой стрелки — то вправо.
Сила Кориолиса в природе
Сила Кориолиса, вызванная вращением Земли, может быть замечена при наблюдении за движением маятника Фуко[1].
Кроме того, сила Кориолиса проявляется и в глобальных масштабах. В северном полушарии сила Кориолиса направлена вправо от движения, поэтому правые берега рек в Северном полушарии более крутые — их подмывает вода под действием этой силы[2] (см. Закон Бэра). В Южном полушарии всё происходит наоборот. Сила Кориолиса ответственна также и за вращение циклонов и антициклонов[3] (см. геострофический ветер): в Северном полушарии вращение воздушных масс происходит в циклонах против часовой стрелки, а в антициклонах — по стрелке; в Южном — наоборот: по часовой стрелке в циклонах и против — в антициклонах. Отклонение ветров (пассатов) при циркуляции атмосферы — также проявление силы Кориолиса.
Если бы рельсы были бы идеальными, то при движении железнодорожных составов с севера на юг и с юга на север, под воздействием силы Кориолиса один рельс изнашивался бы сильнее, чем второй. В северном полушарии больше изнашивается правый, а в южном левый[4].
Силу Кориолиса необходимо учитывать при рассмотрении планетарных движений воды в океане. Она является причиной возникновения гироскопических волн[5].
При идеальных условиях сила Кориолиса определяет направление закручивания воды например, при сливе в раковине. Однако идеальные условия трудно достижимы. Поэтому феномен «обратного закручивания воды при стоке» является скорее околонаучной шуткой.