Vòng quay hàng ngày của Trái đất

Trợ cấp hàng ngày

vòng quay trái đất

Bài viết của Ya. A. “Lực Coriolis” Smorodinsky (xem trang 2 của tạp chí này) mô tả chi tiết lực quán tính tác dụng lên các vật chuyển động so với một hệ quy chiếu quay. Một hệ thống “tự nhiên” như vậy trước hết là Trái đất. Có nhiều hiện tượng, ví dụ như sự lệch hướng của các vật thể rơi tự do, sự xói mòn bờ sông không đồng đều, sự xuất hiện của các xoáy không khí và gió, v.v., được giải thích là do tác động của lực Coriolis.

Trong lịch sử, thí nghiệm đầu tiên xác nhận sự quay của Trái đất quanh trục của nó là thí nghiệm của Foucault. Bài viết này nói về một thí nghiệm đơn giản thể hiện rõ ràng sự quay hàng ngày của Trái đất.

Hãy tưởng tượng một chiếc bình hình trụ lớn kết thúc bằng một cái phễu (Hình 1). Bình chứa đầy nước và được treo trên trần nhà bằng một sợi dây dài. Tại thời điểm ban đầu khi lỗ phễu đóng lại thì tàu đứng yên so với Trái đất. Điều gì xảy ra nếu lỗ được mở? Để đơn giản cho việc suy luận, chúng ta sẽ giả sử rằng thí nghiệm được thực hiện ở cực bắc của Trái đất. Ở vị trí của bình nơi đặt phễu, dòng nước chảy không chỉ có hình chiếu vận tốc thẳng đứng mà còn có vận tốc nằm ngang.

Chúng ta hãy biểu thị bằng $\mathbf{v}_0$ hình chiếu nằm ngang của tốc độ của nước so với tàu. Giá trị $\mathbf{v}_0$ phụ thuộc vào độ cao của cột nước so với giá trị đã cho

mức trong phễu và tính từ khoảng cách đến trục của bình.

Sự hiện diện của tốc độ $v_0$ gây ra sự xuất hiện của lực Coriolis. Hình 2 thể hiện hướng quay của Trái đất, tốc độ $v_0$ và lực Coriolis $F_К$ đối với một lớp nước nhất định. Lực Coriolis tác dụng lên từng phần tử nhỏ của khối lượng nước có mô men quay so với trục đối xứng của bình. Điều này làm cho nước trong bình quay tròn. Vì có ma sát giữa nước và thành bình nên bình cũng sẽ bắt đầu chuyển động và hướng chuyển động của bình trùng với hướng quay của Trái đất.

Khi nước chảy ra khỏi thùng chứa, độ lớn vận tốc $v_0$ giảm và do đó lực Coriolis tác dụng lên nước giảm (kể từ $F_К \sim v_0$). Bản chất chuyển động của nước dưới tác dụng của một lực thay đổi $F_К$ sẽ như thế nào? Độ lớn gia tốc do lực này truyền vào giảm đi, trong khi tốc độ quay của nước tăng lên, nhưng càng xa thì càng chậm.

Sự quay của bình làm cho sợi dây treo trên đó bị xoắn. Trong trường hợp này, một mô men của lực biến dạng đàn hồi xuất hiện, chống lại sự xoắn của sợi và do đó làm chuyển động quay của bình. Độ lớn của mô men của lực biến dạng tăng khi góc xoắn của sợi tăng, nghĩa là khi tốc độ quay của bình tăng. Vì lực Coriolis, đồng

2*
19

20

Cơm. 1. Bình thí nghiệm. 1 - bình hình trụ; 2 - phễu; 3 - cao su mềm trên đế cứng; 4 - sợi chỉ; 5 - dây đôi cho cầu lông.

điều này cuối cùng dẫn đến sự quay của bình với nước giảm dần theo thời gian, khi đó đến một lúc nào đó, tác dụng của mômen lực Corolis được bù đắp bằng tác dụng của mô men lực biến dạng, và sau đó lực biến dạng chiếm ưu thế hơn lực Corolis. Kết quả là tốc độ quay của tàu giảm nhưng tàu vẫn quay theo hướng quay của Trái đất.

Tại một thời điểm nào đó, tốc độ góc quay của tàu trở nên bằng 0, và sau đó, dưới tác dụng của mômen biến dạng đàn hồi, tàu bắt đầu quay theo hướng ngược lại. Tốc độ góc quay tăng dần. Lúc này lực biến dạng bắt đầu giảm (sợi dây giãn ra). Tác dụng của mômen lực Corolis (lực này vẫn đang giảm dần) lúc này có hướng chống lại chuyển động quay của tàu và dẫn đến tốc độ quay giảm. . . Tại một thời điểm nào đó trong quá trình quay, mô men giảm dần của lực biến dạng sẽ “bắt kịp” độ lớn với mômen của lực Corolis, sau đó tốc độ quay bắt đầu giảm, v.v.

Khi tiến hành thí nghiệm, chúng tôi sử dụng một bình hình trụ có đường kính 25 cm và cao 30 cm (xem Hình 1). Bình chứa đầy phễu có đường kính phản ứng 8 mm. Một khớp nối với bốn ốc vít nằm đối xứng được tìm thấy ở ống trên cùng của phễu.

Cao su mềm trên đế cứng được ép chặt vào đầu ống bằng một sợi chỉ xuyên qua hai ốc vít đối diện. Sợi chỉ được buộc thành nút trên một trong các ốc vít. Chúng tôi treo bình từ trần nhà trên một sợi dây cầu lông đôi dài 2,5 m (bạn có thể lấy hai sợi dây xoắn ngược chiều nhau để xác định tác dụng phụ trong quá trình quay). Nước đổ vào bình gần tới mép trên, khi nước lắng xuống, nút chỉ bị cháy hết. Trong mọi trường hợp, chúng tôi quan sát thấy rằng khi nước chảy ra qua đầu ra của phễu, bình trước tiên quay ngược chiều kim đồng hồ, sau đó chuyển sang dây đối diện.

Thí nghiệm cũng có thể được thực hiện với phễu thủy tinh treo trên giàn giáo mỏng đôi. Nhưng hóa ra góc quay của bình phụ thuộc đáng kể vào đường kính của đầu ra của phễu. Một mặt, tác dụng của lực Corolis càng dễ nhận thấy thì phản ứng càng nhỏ. Nhưng mặt khác, khi phản ứng giảm thì vai trò của độ nhớt chất lỏng lại tăng lên. Chúng tôi có thể quan sát thấy sự chuyển động quay đáng chú ý của phễu cùng với một sợi dây chứa 1 lít nước có đường kính phản ứng là 5 mm.

M. I. Emelyanov,
A. M. Zharkov,
V. M. Zadainov,
V. S. Matochkin