Влияние вращения земли на равновесие. Влияние вращения Земли на равновесие и движение тел

При решении большинства технических задач мы считаем си­стему отсчета, связанную с Землей, неподвижной (инерциальной). Тем самым мы не учитываем суточное вращение Земли и ее движение по орбите вокруг Солнца. Таким образом, считая систему отсчета, связанную с Землей, инерциальной, мы по существу прене­брегаем ее суточным вращением вместе с Землей по отноше­нию к звездам. Это вращение происходит со скоростью: 1 оборот за 23 часа 56 минут 4 секунды, т. е. с угловой скоростью

Исследуем, как сказывается такое довольно медленное вращение на равновесии и движении тел.

1. Относительный покой на поверхности Земли. Сила тяжести. Рассмотрим материальную точку, лежащую на неподвижной относительно Земли гладкой «горизонтальной» плоскости (рис.13). Условие ее равновесия по отношению к Земле состоит в том, что , где - сила притяжения Земли, - реакция плоскости, -переносная сила инерции. Так как , то сила имеет только нормальную составляющую, направленную перпендикулярно к оси вра­щения Земли. Сложим силы и введем обозначение

Рис.13

Тогда на точку М будут действовать две силы и , уравно­вешивающие друг друга. Сила и представляет собою ту силу, ко­торую мы называем силой тяжести.

На­правление силы будет направлением верти­кали в данном пункте поверхности, а плоскость, перпендикулярнаяк и будет горизонтальной плоскостью. По модулю (r - расстояние точки М от земной оси) и величина малая по сравнению с , так как величина очень мала. Направление силы мало отличается от направления .

При взвешивании тел мы определяем силу , т.к. именно с такой силой тело давит на тело весов. То есть, вводя в уравнения равновесия силу тяжести , мы вводим в них и силу , т.е. фак­тически учитываем влияние вращения Земли.

Поэтому при состав­лении уравнений равновесия тел по отношению к Земле ника­ких поправок на вращение Земли вводить не надо. В этом смысле равновесие по отношению к Земле можно считать абсолютным.

а) Движение по земной поверхности. При движении точки по меридиану в северном полушарии с севера на юг кориолисово ускорение направлено на восток, а сила - на запад. При движении с юга на север сила будет, очевидно, направлена на восток. В обоих случаях, как мы видим, эта сила будет отклонять точку вправо от направления ее движения. Если точка движется по параллели на восток, то ускорение будет направлено вдоль радиуса МС параллели (рис.14), а сила в противоположную сторону. Вертикальная составляющая этой силы (вдоль ОМ) будет несколько изменять вес тела, а горизонтальная составляю­щая будет направлена к югу и будет отклонять точку тоже вправо от на­правления движения. Аналогичный ре­зультат получим при движении по па­раллели на запад.

Рис.14

Отсюда заключаем, что в север­ном полушарии тело, движущееся вдоль земной поверхности по любо­му направлению будет вследствие вращения Земли отклоняться вправо от направления движения. В южном полушарии отклонение будет происхо­дить влево.

Этим обстоятельством объясняется то, что реки, текущие в северном по­лушарии, подмывают правый берег (закон Бэра). В этом же при­чина отклонений ветров постоянного направления (пассаты) и мор­ских течений.

Земля совершает 11 различных движений, из которых важное географическое значение имеют следующие:

Суточное вращение вокруг оси,

Годовое обращение вокруг Солнца,

Движение вокруг общего центра тяжести системы Земля-Луна.

Как известно, Земля вращается вокруг своей оси с запада на восток, поворачиваясь в I секунду на 24.6Q.gQ = щщ часть полного оборота. SS

Суточное вращение Земли вокруг ее оси заметным образом влияет на всякое свободно перемещающееся вдоль поверхности земли тело и, в частности, иа движение воздуха.

Представим себе плоскость горизонта на северном полюсе (рис. 32). При суточном обороте Земли эта плоскость, очевидно, будет вращаться вокруг точки полюса Р в направлении, показанном стрелкой.

Допустим, что частица воздуха а, движение которой рассматривается, в некоторый момент времени находится в точке b на линии меридиана РА. Пусть направление движения этой частицы, отмеченное стрелкой, составляет с направлением мерйдйана РА некоторый угол а.

Рис. 33. Отклоняющее действие вращения Земли в северном и южном полушариях.

Рассмотрим движение частицы а относительно такой вращающейся плоскости горизонта. Очевидно, через некоторое время меридиан РА займет положение РАг. Но движущаяся частица по инерции будет стремиться сохранить то же направление,

Рис. 32. Отклоняющее действие вращения Земли на полюсе.

которое она имела в точке Ь. Таким образом, направление движения частицы в точке Ьх
будет параллельно ее движению в точке Ь, что и отмечено стрелкой. Но это направление движения составляет с направлением меридиана РА1
угол р, несколько больший угла а.

Движение будет происходить так, как будто какая-то сила отклоняет частицу воздуха вправо от направления первоначального ее движения.

Мы рассмотрели движение частицы вблизи полюса. То же явление будет наблюдаться, но лишь в меньшей степени, и на других широтах северного полушария. При этом отклонение будет тем меньше, чем меньше широта места. На экваторе этого отклонения нет.

В южном полушарии отклонение происходит в левую сторону от первоначального направления движения.

На рис. 33 приведены схемы, иллюстрирующие отклонение р северном и южном полушариях при начальном движении ча59

стицы воздуха вдоль меридиана. На рисунке рассмотрены случаи движения частицы от полюса к экватору и от экватора к полюсу- Здесь: АВ и CD - начальные направления движения некоторых частиц воздуха в северном полушарии, совпадающие с направлением меридиана; АХВХ и C1D1 - последующие направления движения соответствующих частиц, после того как точки А а С вследствие вращения Земли заняли положение Л, и Сѵ

Для южного полушария аналогичные начальные положения представлены стрелками А’В’ и C’D’, а последующие-стрелками АВ и CD.

Как видим, и в этих случаях в северном полушарии наблюдается отклонение вправо от начального направления движения, а в южном полушарии - влево.

Здесь рассмотрены случаи такого движения, когда начальное направление движения совпадало с направлением меридиана. В механике доказывается, что отклонение наблюдается при любом направлении движения и отклоняющая сила вращения Земли направлена всегда перпендикулярно к направлению движения. В северном полушарии она ‘направлена в правую сторону, под прямым углом к направлению движения, а в южном полушарии - в левую.

В действительности отклоняющей силы не существует, а отклонение частицы от начального направления движения обусловлено лишь суточным вращением Земли.

Влияние этого отклонения проявляется не только в отклонении движения воздуха, но и в ряде других явлений. Примером может служить, что у большинства крупных рек северного полушария правый берег более крутой, чем левый. Это объясняется тем, что вода при своем течении отклоняется все время вправо и (непрерывно подмывает правый берег.

Отклонение вправо в северном полушарии можно наблюдать на распределении теплых и холодных океанических течений. Так, теплое течение Гольфстрем, начинаясь у берегов Мексиканского залива, при перемещении на север отклоняется вправо и достигает берегов Скандинавии.

Таким образом, всякое свободно перемещающееся тело, двигающееся в любом направлении, под влиянием вращения Земли отклоняется в северном полушарии вправо, а в южном - влево.

Угловая скорость вращения Земли вокруг Солнца (2π радиан в год) настолько мала, что связанные с ней силы инерции не играют существенной роли в ходе процессов, происходящих на Земле. В то же время угловая скорость суточного вращения Земли примерно в 365 раз больше угловой скорости ее годового вращения. Поэтому при составлении уравнения движения тела в системе отсчета, связанной с Землей нужно учитывать не только ньютоновские силы (F ), но и все силы инерции (центробежные и кориолисовы). В то же время часто при грубых количественных оценках характеристик некоторых явлений можно пренебречь и силами инерции, вызываемыми суточным вращением Земли, а систему координат, связанную с Землей, считать приблизительно инерциальной.

Таким образом, в соответствии с проведенными выше рассуждениями сила Кориолиса проявляется при движении по поверхности земного шара благодаря суточному вращению Земли.

В системе отсчета, связанной с Землей, поворот плоскости качаний маятника объясняется действием силы Кориолиса. На полюсе скорость маятника ′при большой длине его подвеса можно считать перпендикулярной вектору угловой скорости вращения Земли ω. Сила Кориолиса в соответствии с формулой К2,Fm ′=ωперпендикулярна плоскости качаний маятника и по правилу буравчика направлена вправо по отношению к относительной скорости движения маятника. Поскольку сила Кориолиса никакой другой силой не уравновешивается, то в результате ее действия и происходит поворот плоскости качаний маятника. Траектория движения маятника будет иметь вид розетки (рис. 5.17). Если маятник установлен на определенной широте ϕ, то в этом случае его плоскость качаний повернется за сутки на угол 2sinπϕ. Таким образом, опыт с маятником Фуко экспериментально подтверждает, что система отсчета, связанная с Землей, является неинерциальной системой отсчета.

Сила Кориолиса, которая действует на тело, движущееся с относительной скоростью ′вдоль меридиана, направлена по отношению к этой скорости вправо в северном полушарии и влево - в южном (рис. 5.18, а ). Если тело движется в плоскости экватора с запада на восток, то сила Кориолиса направлена вертикально вверх, при движении тела с востока на запад она направлена вертикально вниз (рис. 5.18, б ). Сила Кориолиса равна нулю, если тело движется на экваторе в плоскости меридиана, потому что векторы ωи ′параллельны. Примером влияния сил Кориолиса на движение тел у поверхности земного шара является также отклонение свободно падающих тел к востоку (рис. 5.18, в ).

Большую роль играют кориолисовы силы в метеорологических явлениях. Так, отклоняющее влияние кориолисовой силы заставляет мощное океаническое течение Гольфстрим, выходящее из Мексиканского залива через Флоридский

6.Механическая система (МС). Классификация сил, действующих на МС: силы внешние и внутренние, задаваемые (активные) и реакции связей. Свойства внутренних сил.

Наше планета пребывает в постоянном движении, она вращается вокруг Солнца и собственной оси. Земная ось - воображаемая линия, проведенная от Северного к Южному полюсу(они при вращении остаются без движения) под углом в 66 0 33 ꞌ по отношению к плоскости Земли. Люди не могут заметить момент вращения, потому что все предметы движутся параллельно, их скорость такая же. Это выглядело бы точно также, как если бы мы плыли на корабле и не замечали движение предметов и объектов на нем находящихся.

Полный оборот вокруг оси завершается в течении одних звездных суток, состоящих из 23 часов 56 минут и 4 секунд. За этот промежуток то одна, то другая сторона планеты поворачивается к Солнцу, получая от него различное количество тепла и света. Помимо этого вращение Земли вокруг оси влияет на её форму (приплюснутые полюса - результат вращения планеты вокруг оси) и на отклонение при движении тел в горизонтальной плоскости (реки, течения и ветра Южного полушария отклоняются влево, Северного - вправо).

Линейная и угловая скорость вращения

(Вращение Земли )

Линейная скорость вращения Земли вокруг оси - 465 м/с или 1674 км/час в зоне экватора, по мере отдаления от него скорость постепенно замедляется, на Северном и Южном полюсах она равна нулю. Например, для граждан экваториального города Кито (столица Эквадора в Южной Америке) скорость вращения как раз 465 м/с, а для москвичей, живущих на 55-ой параллели к северу от экватора, - 260 м/с (почти в два раза меньше).

Ежегодно скорость вращения вокруг оси снижается на 4 миллисекунды, что связано с влиянием Луны на силу морских и океанических отливов и приливов. Притяжение Луны «тянет» воду в направлении, противоположном к осевому вращению Земли, образуя незначительную силу трения, замедляющую скорость вращения на 4 миллисекунды. Скорость углового вращения остается везде одинаковой, её значение - 15 градусов в час.

Почему день сменяется ночью

(Смена дня и ночи )

Время полного оборота Земли вокруг оси - одни звездные сутки (23 часа 56 минут 4 секунды), за этот временной промежуток освещенная Солнцем сторона сначала находится «во власти» дня, теневая - ночи, а затем наоборот.

Если Земля вращалась бы по другому и одна её сторона была постоянно повернута к Солнцу, то там бы была высокая температура (до 100 градусов Цельсия) и вся вода бы испарилась, на другой бы стороне - наоборот свирепствовали морозы и вода находилась под толстым слоем льда. И первые, и вторые условия были бы неприемлемы для развития жизни и существования человеческого вида.

Почему сменяются времена года

(Смена времен года на Земле )

Вследствие того что ось наклонена по отношению к земной поверхности под определенным углом, её участки получают в разное время различное количество тепла и света, что обуславливает смену времен года. По астрономическим параметрам, необходимым для определения времени года, за точки отсчета берут некоторые моменты времени: для лета и зимы это Дни солнцестояния (21 июня и 22 декабря), для весны и осени - Равноденствия (20 марта и 23 сентября). С сентября по март Северное полушарие повернуто к Солнцу меньшее количество времени и соответственно получает меньше тепла и света, здравствуй зимушка-зима, Южное полушарие в это время получает много тепла и света, да здравствует лето! Проходит 6 месяцев и Земля переходит на противоположную точку своей орбиты и уже Северное полушарие получает больше тепла и света, дни становятся длиннее, Солнце поднимается выше - наступает лето.

Если бы Земля располагалась по отношению к Солнцу исключительно в вертикальном положении, то времен года вообще бы не существовало, ведь все точки на освещенной Солнцем половине получали бы одинаковое и равномерное количество тепла и света.

Земной шар совершает сложное движение: вращается около своей оси, движется по орбите вокруг Солнца. Вполне понятно, что Земля не является инерциальной системой отсчета. Тем не менее мы с успехом пользуемся законом Ньютона в земных условиях. Однако в ряде случаев неинерциальность Земли сказывается достаточно резко. Эти случаи мы должны изучить.

Влияние вращения Земли на ее форму. Вес тела.

Если не учитывать вращения Земли, то тело, лежащее на ее поверхности, следует рассматривать как поколщееся.

Сумма действующих на это тело сил равнялась бы тогда нулю. На самом же деле любая точка поверхности земного шара, лежащая на географической широте движется около оси земного шара, т. е. по кругу радиуса радиус Земли, рассматриваемой в первом приближении в виде шара), с угловой скоростью Следовательно, сумма сил, действующих на такую точку, отлична от нуля, равна произведению массы на ускорение и направлена вдоль

Очевидно, что наличие такой результирующей силы (рис. 13)

возможно лишь в том случае, если реакция земной поверхности и сила тяготения направлены под углом друг к другу. Тогда тело будет давить на поверхность Земли (по третьему закону Ньютона) с силой Если бы земной шар покоился, то эта сила равнялась бы силе тяготения и совпадала бы с ней по направлению.

Разложим силу на две: направленную вдоль радиуса и по касательной Наличие вращения Земли приводит, как мы видим из чертежа, к двум фактам. Во-первых, вес (давление тела на Землю) стал меньше силы тяготения. Так как то это уменьшение равно Во-вторых, возникает сила, стремящаяся расплющить Землю, передвинуть вещество к экватору; эта сила Такое расплющивание действительно имело место; Земля имеет не форму шара, а форму, близкую к эллипсоиду вращения. Экваториальный радиус Земли становится в результате указанного действия примерно на долю больше полярного радиуса.

Расплющивающие силы заставляли перемещаться массы земного шара до тех пор, пока он не принял равновесной формы. Когда процесс смещения закончился, расплющивающие силы, очевидно, перестали действовать. Следовательно, силы давления, действующие на поверхность земного «шара», направлены по нормали к поверхности.

Возвратимся теперь к величине давления тела на землю, то есть к той физической величине, которую принято называть весом. Вычисление, сделанное для шара (сила тяготения минус разумеется, несправедливо для истинной фигуры Земли. Однако для приближенных вычислений этим результатом можно пользоваться.

На полюсе вес тела равен силе тяготения. Обозначим через силу тяготения тела на полюсе. Тогда давление тела на земную поверхность в любой точке земного шара, иначе говоря, вес тела, будет равно, как сказано выше, разности силы тяготения и силы т. е.