Дослідження сили Коріоліса

Чернецький Ігор
Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.
Рівень складності Середній
Рівень небезпеки Безпечно, але під наглядом керівника
Доступність використовуваних матеріалів На рівні наукового обладнання
Орієнтовний час на виконання роботи До 1 години

Блок 1. Резюме

Метою роботи є дослідження впливу сили Коріоліса на рух кульки по поверхні, що обертається.

Блок 2. Попередня інформація

Сила Коріоліса –  одна з сил інерції, що виявляється під час руху в напрямку під кутом до осі обертання. У процесі обертанні диска точки, розташовані далі від центру, рухаються з більшою  швидкістю ніж ті, що ближче до центру. Якщо ми хочемо перемістити деяке тіло вздовж радіусу, так, щоб воно залишалося на радіусі, то нам доведеться збільшити швидкість тіла. Якщо наша система відліку обертається разом з диском, то ми відчуваємо, що тіло «не хоче» залишатися на радіусі, а прагне зміститися — це і є прояв сили Коріоліса. Якщо обертання відбувається за годинниковою стрілкою, то тіло, що рухається від центру обертання, прагне зійти з радіуса вліво. Якщо обертання відбувається проти годинникової стрілки — то вправо.

Згідно з ефектом Коріоліса рух частинок маси (наприклад, води або повітря) буде відхилятися вправо (відносно напрямку на північ), якщо він відбувається в Північній півкулі. Якщо рух відбувається в Південній півкулі, то він буде відхилятися вліво (відносно напрямку на  південь), звідси й напрямок обертання океанських течій. Отже, на півночі Атлантики вода відхиляється вправо, тому Гольфстрім рухається за годинниковою стрілкою.

Ось явища, в яких бачимо прояв сил Коріоліса:

  1. Поворот площини коливань маятника з довгим підвісом в системі координат «Земля» (маятник Фуко).
  2. Праві береги річок у Північній півкулі більш  круті, ніж ліві (у Південній півкулі – навпаки).
  3. Тіло у вільному падінні в Північній півкулі злегка відхиляється на схід (у Південній півкулі – на захід).
  4. Права рейка залізниці з одностороннім рухом у Північній півкулі піддається більшому тиску і зношується швидше, аніж ліва (у Південній півкулі навпаки).
  5. Відхилення вправо від розрахункової траєкторії снарядів далекобійної артилерії в Північній півкулі та відповідно відхилення вліво у Південній (у випадку пострілів вздовж екватора сила Коріоліса піднімає снаряд вгору, якщо постріл здійснено в напрямку на схід, та притискає до землі, якщо постріл здійснено на захід).

На рис. 1.1. зображено гіпотетичні положення резервуара на Землі, що обертається. Великі значення швидкості обертання будуть відповідати полярним регіонам, а мінімальні – положенню нашого обертового резервуара на екваторі.

Рис. 1.1. Сила Коріоліса на різних широтах

 Таблиця. Значення сили Коріоліса як функції широти

Широта Сила Коріоліса f    (10-4s-1)
90 1.46
60 1.26
45 1.03
30 0.73
10 0.25
0 0

 

Блок 3. Обладнання

Обертова установка, відеокамера, кулька, ПК.

Блок 4. Експериментальна процедура

  1. Для досліду використайте обертову установку з регульованою частотою обертання.
  2. Закріпіть відеокамеру на штативі так, щоб вікно на платформі повністю потрапляло в кадр.
  3. Увімкніть установку та підсвітку платформи. Установіть початкову частоту обертання RPM, що дорівнює 5.
  4. Розташуйте посередині платформи кульку.
  5. Запустіть відеозапис та увімкніть обертання платформи.
  6. Після стабілізації частоти обертання легким поштовхом зруште кульку.
  7. Після того, як кулька досягне краю платформи, зупиніть обертання та відеозапис.
  8. Повторіть попередні дії, щоразу збільшуючи частоту обертання на 5 RPM.
  9. Якщо немає можливості виконати дослід, завантажте відеозапис з ресурсу.

Рис. 1.2. Обладнання для проведення досліду “Сила Коріоліса”

Блок 5. Аналіз отриманих даних

  1. Скопіюйте відеозаписи на ПК.
  2. За допомогою програмного забезпечення Tracker https://physlets.org/tracker/ прослідкуйте рух кульки по платформі для кожного відеозапису.
  3. Інструментами програми побудуйте вектори прискорення. Зробіть висновок до роботи.

Рис. 1.3. Вигляд вікна програми Tracker з побудованими векторами прискорення руху кульки

Блок 6. Напрями розвитку

Спробуйте провести попередній дослід з невеликими краплинами підфарбованої рідини, крапнувши їх на платформу під час обертання на різних відстанях від осі.

mola62slot gacorscatter hitam