1.3 Сила Кориолиса

 Даже выпускники Физтеха считают её реальной величиной, способной свернуть горы, и переубедить их невозможно.
 
 Что за сила такая? 

 Рассмотрим простой пример:
   
 Мы стреляем из пушки на Северном полюсе строго перпендикулярно экватору. 

 На левом рисунке изображена траектория, которую мы наблюдали бы, если бы Земля не вращалась. Снаряд бы попал в "Цель" в Атлантическом океане. Но Земля вращается. И пока снаряд летит к экватору, цель смещается со скоростью вращения Земли на экваторе. В итоге снаряд падает не в Атлантику, а на голову бедных боливариан.
Поместим в "Цель" наблюдателя. Он увидит некую криволинейную траекторию снаряда - тот будет отклоняться от прямой к наблюдателю тем сильнее, чем больше радиус вращения его проекции на землю.

 Как же мы можем рассчитать движение такого снаряда? Казалось бы, какие проблемы? Берем сферические координаты и задаем снаряду два вектора скорости: один - к экватору, а второй - относительно оси вращения Земли. Но наука не любит простых путей. Она подошла к этому вопросу фундаментально.

 Согласно первому закону Ньютона, снаряд движется по инерции, так как на него не действуют никакие силы, заставляющие его свернуть с прямого направления на экватор. Но наблюдатель же видит, что снаряд отклоняется. Значит, на него действует сила, иначе нарушается закон Ньютона. И такую силу придумали: силу Кориолиса.

 Сила Кориолиса не является «настоящей» в смысле механики Ньютона. При рассмотрении движений относительно инерциальной системы отсчета такая сила вообще не существует. Она вводится искусственно при рассмотрении движений в системах отсчета, вращающихся относительно инерциальных, чтобы придать уравнениям движения в таких системах формально такой же вид, что и в инерциальных системах отсчета.

Прямо и недвусмысленно указано, что такой силы не существует. Просто, если кому захочется посчитать, то он может воспользоваться такой моделью. А может и сферическими координатами, как я уже писал. Но кому это надо? На практике кориолисово смещение не встречается.  Даже при стрельбе из ружья оно равно несколько сантиметров (http://goldprop02.h1.ru/Path-X-Mechanic/SK-Zemla-1.htm), а порывы ветра смещают пулю сильнее. Впрочем, в снайперской винтовке в оптическом прицеле нет никакого учета бокового сдвига пули. Да и как учесть, если стреляют в разных направлениях? И как снайперы попадают в яблочко с расстояния в один километр (7 сантиметров смещения вбок!)? Да и я, стреляя из автомата по стоячей мишени, успешно целился прямо на неё.
 
 И никакой реальной силы Кориолиса, производящей работу, в природе не существует.
 
 Но для чего о ней так много говорят?
 
 Просто данная сила считалась главным доказательством вращения Земли до выхода человека в космос.
 Действием этой силы объяснялись разнообразные явления, не имеющие к нему никакого отношения:
 
1. 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.
  В самом деле? А на равнинах как-то и не заметно. Впрочем, есть реки, где сложно было бы не заметить: протекающие в ущельях между высокими скалами. Такие реки должны были за многие годы пропилить щель под одной из скал, медленно подрезая её. 
 Что-то такого русла реки я ни разу не видел. Вот извивается река между скал. 
 Какой берег более крутой?
 Да, у некоторых рек наблюдается дисбаланс берегов. Но он объясняется геологическим строением местности: вода прижимается к гористой местности, так как она чуть сильнее продавливает под собой прилегающий участок литосферы.
  И, наконец-то, техника дала исчерпывающий ответ на этот вопрос: таймлапс спутниковых снимков реки Ucayali (Перу) с 1985 по 2013 год.

Фрагмент:
 Это прекрасная иллюстрация к воздействию силы Кориолиса на речные берега.
 Сила придавливает воду к определенному берегу. На рисунке - следствие такого сдвига русла за 30 лет.
 Вверху русло ушло вправо, а внизу влево. В разные стороны!
 
И это всё, что нам надо знать о воздействии силы Кориолиса на природу!

2. 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.

Замечательное доказательство кочует по учебникам! Если бы у бабушки был пеннис, то она была бы дедушкой, а не бабушкой. Но, увы, рельсы не идеальные, а потому никто износа не наблюдал.
Впрочем, я тоже придумал пару причин такого гипотетического износа.
- Нетерпеливые пассажиры толпятся в проходе перед выходом, который всегда справа, потому рельсы и стесываются с одной стороны.
- Колесная штанга -  прямая, а реакция опоры направлена к центру Земли, т.е. под углом при разнесении на ширину рельсов - вот это-то маленькое плечо и стесывает правый рельс, потому как отсчет ведется от левого, с которого "начинается" движение вокруг оси Земли.

3. 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.

И здесь всё просто: направление вращения определяется правилом буравчика. Вода в раковине течет вниз, поэтому и закручивается по часовой стрелке в любом полушарии.
Аналогичным образом объясняют и вращение воздуха в циклонах и антициклонах: это сила Кориолиса его закрутила.
Вот она - главная причина появления этой силы. Как иначе объяснить возникновение этих явлений? Что может заставить воздух крутиться?
Что заставляет (а это отнюдь не природное, но полностью контролируемое явление), мы рассмотрим позже. Сейчас нас более интересует движение этих циклонов/антициклонов, описываемое кориолисовой силой.
Как легко заметить по нашему примеру со снарядом, любой объект отклоняется против вращения Земли при движении от полюса и по вращению Земли при движении от экватора.

А в какую сторону вращается Земля?

На этот вопрос нам ответят океанические и воздушные течения. Эти среды имеют некоторую вязкость и поэтому отстают от вращения Земли.
Воздушные струйные течения направлены на восток, причем, чем оно выше над поверхностью земли, тем выше его скорость.
Водное Антарктическое циркумполярное течение, которому не мешают континенты, тоже направлено на восток.

Другие течения упираются в материки и заворачивают в региональную круговую циркуляцию, поэтому о них нельзя сказать определенно, в какую сторону они направлены (сначала на восток, а потом на запад или наоборот). Впрочем, Экваториальное противотечение направлено на восток и не имеет явного продолжения.
Никаких противоречий: мы вращаемся с востока на запад, а не наоборот (интересно, что вращение направлено в ту же сторону, что и на внешней поверхности Земли в ОМ).

Теперь можем приступить к рассмотрению движений компактных воздушных объектов - ветров, циклонов и антициклонов. Как они должны двигаться и как движутся в действительности.
В ОМ с полюса движутся антициклоны и  должны заворачивать на запад, а с экватора движутся циклоны и должны заворачивать на восток.
Вроде бы просто, но посмотрим на официальную карту их движений:
Она несколько странная. Выделяют три изолированные ячейки по 30 градусов ширины. 
Рассмотрим северное полушарие. 

1. Северная. Ветер дует согласно ОМ - на юго-запад. Оттуда к нам приходят антициклоны и движутся, как мы может наблюдать по ТВ, на восток. Было бы странно, чтобы они поменяли траекторию. Так что предположение о фальсификации вполне уместно - в Заполярье мало кто живет, чтобы озаботится несоответствием официоза с действительностью.
Будем считать, что ветер дует на юго-восток.

2. Средняя. Холодный ветер дует с юга и, согласно ОМ, заворачивает на восток. Всё хорошо, кроме одного: откуда на юге (широта Каира) мог взяться холодный воздух? Официально: теплый уходит вверх, а холодный занимает его место. Занять его место он может, лишь придя с севера (южнее - тропики). Значит, и ветер должен быть с севера, загибаясь по Кориолису на запад.
Вывод: дует ветер, как и полагается по ФМ - на восток. Объяснения в ОМ нет, поэтому и придумали ячейку.
Хорошая иллюстрация - северное струйное течение. Было бы странно, чтобы несколькими километрами ниже дуло совсем в другую сторону.





3. Тропическая.
Тут официоз торжествует: всё по Кориолису. Странный только разрыв на 30-ти градусах. Почему неизвестно откуда взявшийся холодный ветер дует в разные стороны от 30-ти градусов? Вроде как направление всегда должно быть на юг - чем теплее, тем воздух менее плотен, а ветер всегда дует из большей плотности в меньшую. По сути, всегда движутся лишь холодные массы, вытесняя теплый воздух и попутно нагреваясь. Но эти пассаты не укладываются в нашу теорию.

А может здесь так же передергивают, как и в зоне 2?
Ветер дует на запад, но совсем не с севера, а с юга, как и полагается по ФМ. И это мы можем легко проверить по разрушительным американским циклонам! Они зарождаются в приэкваториальных областях и движутся к побережью США.
В Вики можно проследить движение мощного урагана "Сэнди" конца 2012 г. Ямайка-Куба-Южная Каролина-Нью-Йорк. Всё по ФМ!

В заключение этого раздела пройдемся по маятнику Фуко - единственному наглядному доказательству "правильного" вращения Земли.

Это обычный маятник, который мы многократно видели в настенных/напольных часах. Но только специальная подвеска позволяет ему крутиться. Конструкция этой подвески почему-то отсутствует в интернете. Вот только создатели маятника в Киеве пожаловались на сложность работы: над созданием маятника в течение года работал творческий коллектив из 10-ти человек (http://www.mpravda.com/?lang=ru&pubId=51956 - эта информация уже удалена).

У нас маятник в Исаакиевском соборе просуществовал с 1931 по 1986: шар был подвешен под куполом на тросе в 93 метра. Самый большой в мире!
 
Все маятники вращались в соответствии с кориолисовым смещением (не за сутки, а соответственно синусу широты местности - 32 часа в Париже). Но вот интересная цитата с сайта "Механика инерцоида" (желающие могут изучить расчеты):

...если исходить из ускорения Кориолиса, то скорость относительного вращения маятника в каждой точке траектории будет в два раза больше, чем следует из относительного расчёта, что не может быть в принципе. Сила Кориолиса в этом случае явно даёт неправильный результат.  

И у меня есть объяснение этому в два раза быстрому вращению: вращение маятника символизирует поворот плоскости вращения маятника, но, когда Земля повернется на 180 градусов, эта плоскость будет совпадать со стартовой, лишь движение в ней будет в противоположную сторону (посмотрите на рисунок в начале текста и поверните наблюдателя на 180 градусов - снаряд летит в той же плоскости, но от него). Таким образом, плоскость вращения маятника за сутки (на полюсе) должна прокрутиться дважды. Так откуда тогда взялись те самые 32 часа в Париже? Конструкторы фейка подошли формально, использовав стандартную формулу.

Мы знаем, как работают маятниковые часы: они "заряжаются" гирей, без которой колебания быстро бы затухли из-за трения. Никакой гири в маятниках Фуко не присутствует. Что же их "подкручивает"?

Но главное: маятник вращается. Значит, маятник давит на подвеску, заставляя её вращаться. Ведь если подвеска заставляет вращаться маятник, то это уже жульничество. Как мы может понять, не зная конструкции?

А по всё тем же напольным часам! И там качается маятник,  но на фиксированной подвеске - на оси. А значит, сила Кориолиса всегда должна воздействовать на правую сторону оси, ну, как на железнодорожный рельс. И стачивать ось с одной стороны. Что должно приводить к быстрой поломке этой оси. Вы когда-нибудь слышали о подобной поломке? Зато оригинальный маятник Фуко в Париже разбили в 2010 году, случайно задев кабелем (питание к вращающему мотору?)?!

Я долго думал, как же устроена подвеска, чтобы демонстрировать этот фейк, пока не увидел замечательный ролик:

Во-первых, начиная с 50-й секунды (четко на 55-ой) виден шнур. И он не натянут, а волной. Это оболочка, скрывающая шнур внутри, чтобы не было видно его вращения?  Скорее всего, виновато разрешение экрана, но тоже вариант.

Во-вторых, весьма примечательный эффект: в 1.13 маятник идет от нас и задевает мишень, а в 1.17 он уже идет к нам и НЕ задевает мишень (в 1.19 задевает еще сильнее).

Это как это? При каждом качании маятник слегка поворачивается (должен). 
Т.е. если задел в одну сторону, то при обратном движении должен задеть еще сильнее.
Это может быть, лишь если он качается не в плоскости, как нам рассказывают, а по кривой. Причем, её подворачивают в момент максимального отклонения к камере.
Я бы сказал, что шарик крепления маятника, наклоняясь к нам, ударяется о кривую поверхность (что-то типа листа Мёбиуса). Тем самым шарик каждый раз ударяется не перпендикулярно, а под некоторым углом, меняя угол отражения. Отсюда и некоторая изогнутость траектории.
Собственно, гифка из Вики именно этот факт и демонстрирует.
Представляется, что тайна подвески маятника Фуко раскрыта.

 Вы убедились, что маятник Фуко - фальсификация? Нет? Тогда давайте немного посчитаем.
 Маятник Фуко поворачивается в Москве на 12.5
° в час (по ОМ). Или на 0.21°  в минуту.
 Радиус поля - в районе 1 метра. Фигуру поставили посредине радиуса, т.е. на расстоянии где-то 0.5 метра.
 Окружность с таким радиусом равна 3.14 м. 0.1
° (а это поворот за полминуты) - это дуга длиною 0.0009 м, т.е. 1 мм.
 За полминуты маятник должен повернуться всего на 1 миллиметр!
 Период маятника длиной 8 метров = 6 секунд. Т.е. поворот за период - 0.2 миллиметра.
 Посмотрите в 1:10, когда маятник начинает задевать фигуру.
 Видно, что в одну сторону маятник проходит вдоль середины рейки, а в другую - по её краю. Таких реек 24. Радиус центрального круга где-то 0.1 метра, т.е. окружности 60 см. Длина одного сектора рядом с кругом - около 3 см. Ширина рейки никак не меньше, чем 1
/5 длины сектора, т.е. 6 миллиметров. Т.е. маятник за период поворачивается в 10 раз быстрее, чем полагается. И это минимальная оценка.

Что интересно, существует и реальное доказательство вращения Земли. Оно легко калькулируется, но понять эту калькуляцию без ФМ невозможно.
 
Возьмем гироскоп и зафиксируем ось его вращения вдоль линии восток-запад. Мы вращаемся, а гироскоп всё указывает на эту воображаемую линию. Но она уже не совпадает с нашим востоком-западом. Для нас гироскоп прецессирует. И описывает полный круг прецессии за один оборот Земли вокруг своей оси.
 
Чтобы мы не потерялись, нам в пользование дают не гироскопы, а гироплатформы (например, в автомобилях), которые компенсируют эту естественную прецессию гироскопа, и мы всегда наблюдаем направление восток-запад.
 
Казалось бы, гироскоп должен прецессировать с периодом в 24 часа. Но нет: гироплатформы настроены на период Шулера, равный 84 минуты!  https://en.wikipedia.org/wiki/Schuler_tuning

А теперь посчитаем, с какой скоростью вращается Земля: 2piR=VT, где T возьмем из указанной формулы.
Узнаете, это же 1-я космическая скорость
 
Видите, как просто: Земля вращается вокруг своей оси за 84 минуты с 1-й космической скоростью.

Забавно, когда-то я считал, что маятник Фуко фальсифицирован, чтобы скрыть отсутствие вращения Земли, а оказалось, чтобы скрыть слишком большую скорость вращения.
Comments