Lực Coriolis

Hiệu ứng Coriolis là hiện tượng xảy ra trong các hệ quy chiếu quay khi so với hệ quy chiếu quán tính, được đặt theo tên của nhà toán học và vật lý học người Pháp Gaspard-Gustave de Coriolis, người đã mô tả nó vào năm 1835 qua lý thuyết thủy triều của Pierre-Simon Laplace. Hiệu ứng này thể hiện qua sự lệch quỹ đạo của các vật thể chuyển động trong hệ quy chiếu quay này. Sự lệch này là do một loại lực quán tính gọi là lực Coriolis, được tính bằng công thức sau:

$\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{F}=2m(\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{v}\times <!--\; \times \; -->\stackrel{\to <!--\; \to \; -->}{\mathrm{\omega <!--\; \omega \; -->}})$

Trong đó: m đại diện cho khối lượng của vật, v là véctơ vận tốc của vật, ω là véctơ vận tốc góc của hệ, và dấu × biểu thị tích véctơ. Phương trình này là phương trình véctơ.

Ví dụ

Nếu một vật di chuyển dọc theo đường bán kính hướng ra xa trục quay của hệ quy chiếu, nó sẽ chịu tác động của một lực vuông góc với bán kính và ngược chiều với sự quay của hệ. Ngược lại, nếu vật di chuyển về phía trục quay, lực sẽ tác động theo chiều quay của hệ quy chiếu.

Điều này có nghĩa là nếu vật được thả tự do theo phương của bán kính, hướng ra ngoài, nó sẽ quay ngược chiều quay của hệ quy chiếu. Ngược lại, nếu vật được thả tự do về phía trục, nó sẽ quay theo chiều quay của hệ.

Phương của lực quán tính ly tâm trùng với $r$, do đó lực quán tính ly tâm không làm vật lệch quỹ đạo. Trong khi đó, lực Coriolis có phương vuông góc với mặt phẳng tạo bởi $w$ và $v^{\prime }$, vì vậy nó làm vật lệch khỏi quỹ đạo. Ví dụ, quả bóng không đứng yên trên bàn quay mà di chuyển theo một đường cong, viên bi không lăn theo đường bán kính mà bị lệch thành đường cong ngược chiều quay của đĩa, và vật rơi bị lệch về phía đông do Trái Đất quay từ Tây sang Đông.

Trên hành tinh của chúng ta

Trái Đất tự quay quanh trục của mình, do đó các vật di chuyển trên bề mặt đều bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis.

Tại Bắc bán cầu, các vật di chuyển có xu hướng cong về bên phải, trong khi ở Nam bán cầu, chúng cong về bên trái (dựa theo hướng chuyển động của vật). Đối với các vật chuyển động dọc theo các vĩ tuyến (ở cả hai bán cầu), hiệu ứng Coriolis không làm thay đổi hướng di chuyển mà chỉ làm cho vật trở nên nặng hơn khi di chuyển về phía Tây, hoặc nhẹ hơn khi di chuyển về phía Đông. Đối với các vật rơi tự do, chúng sẽ rơi lệch về phía Đông so với điểm rơi thẳng đứng của chúng (bỏ qua ảnh hưởng của gió).

Hiệu ứng này thường khó nhận thấy vì sự quay của Trái Đất khá chậm. Nó chỉ trở nên rõ ràng trong các quá trình kéo dài, hoặc khi tác động lên các vật di chuyển nhanh, hoặc các vật 'tự do' mà tổng lực tác động lên chúng tương đương với độ lớn của lực Coriolis. Dưới đây là một số ví dụ về ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis:

1. Tại Bắc Bán Cầu, gió có xu hướng xoáy về phía bên phải, trong khi ở Nam Bán Cầu, gió xoáy về bên trái;
2. Ở cả hai bán cầu, các con sông chảy theo hướng Bắc – Nam thường có bờ Tây bị xói mòn nhiều hơn so với bờ Đông;
3. Các con sông chảy theo hướng từ Tây sang Đông thường lớn hơn so với các con sông chảy theo hướng ngược lại. Ví dụ, những con sông lớn như Sông Dương Tử, Sông Amazon, và Sông Danube chảy chủ yếu theo hướng Tây - Đông gần song song với xích đạo.

Chẳng hạn, nếu một luồng gió xuất phát từ Bắc Bán Cầu và di chuyển về phía Cực Bắc, nó sẽ tiến vào các vĩ tuyến có vận tốc quay nhỏ hơn so với ban đầu, dẫn đến việc gió sẽ thổi theo hướng Tây-Bắc thay vì hướng Bắc. Khi di chuyển xa hơn, thành phần 'phương Đông' sẽ càng tăng. Đối với người quan sát trên mặt đất, hiện tượng này giống như có một lực từ Tây về Đông, đó chính là lực Coriolis.

Hiệu ứng Coriolis cần được cân nhắc trong nhiều lĩnh vực như pháo binh, tên lửa đạn đạo (không phải tên lửa hành trình, vì loại này tự động tìm mục tiêu), điều khiển hàng không và hàng không vũ trụ.

Léon Foucault là người đầu tiên chứng minh thực nghiệm hiệu ứng Coriolis thông qua 'con lắc Foucault' nổi tiếng của ông.

• Gió mậu dịch
• Lực hướng tâm