تأثير كوريوليس

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة
اذهب إلى: تصفح، ‏ ابحث
يظهر الإطار المرجعي الأول (الصورة في الأعلى) النقطة السوداء وهي تتحرك بخط مستقيم، بينما المراقب (ممثل بالنقطة الحمراء) الذي يقف على الإطار المرجعي (الصورة في الأسفل) يشاهد الجسم المتحرك وكأنه يتحرك على مسار منحني.

في الفيزياء، يطلق اسم تأثير كوريوليس على التشوه الظاهري في حركة الأجسام عندما ينظر إليها (عندما ترصد) من إطار مرجعي دوراني.

أطلق هذا الاسم على ذكر غاسبارد-غوستاف كوريوليس، العالم الفرنسي الذي وصف هذا التشوه الظاهري في عام 1835، مع أن الرياضيات التي ظهرت في المعادلات المدية من قبل بيير-سيمون لابلاس منذ عام 1778. يحدث تأثير كوريوليس نتيجة ما يدعى بقوة كوريوليس، التي تظهر في معادلة الحركة لجسم ما ضمن إطار مرجعي دوراني. قوة كوريوليس تعتبر مثالا عن القوى التخيلية fictitious force، لأنها لا تظهر عندما يتم التعبير عن نفس الحركة ضمن إطار مرجعي عطالي، حيث يتم شرح حركة الجسم عن طريق القوى الحقيقية المطبقة دون الحاجة لقوة تخيلية، طبعا مع مفهوم العطالة. أما في إطار مرجعي دوراني، فإن قوى كوريوليس تعتمد على السرعة للجسم المتحرك، والقوة النابذة، التي لاتعتمد على سرعة الأجسام المتحركة. كلا القوتين لازمتين لوصف الحركة بشكل دقيق.

ربما تكون الإطار المرجعي الدوراني الأكثر أهمية هو الأرض. فالأجسام المتحركة بحرية على سطح الأرض تتعرض لقوة كوريوليس، ويظهر ذلك في ميلان حركتها نحو اليمين في نصف الكرة الشمالي، ونحو اليسار في نصف الكرة الجنوبي. حركة الهواء والرياح في الغلاف الأرضي والمياه في المحيطات هي أمثلة واضحة لهذا السلوك. فبدلا من التوجه مباشرة من مناطق الضغط المرتفع لمناطق الضغط المنخفض كما يجب أن يحدث في كوكب غير دائر، نجد أن اتجاه الحركة ينحرف قليلا إلى اليمين من منطقة الضغط المنخفض في النصف الشمالي، وبالعكس إلى اليسار في النصف الجنوبي.

الصيغة[عدل]

تعطى صيغة المتجه لقيمة واتجاه تسارع الكوريوليس بالعلاقة

\boldsymbol{ a}_C = -2 \, \boldsymbol{ \Omega \times v}

حيث v سرعة الجسيم في نظام دوار, وΩ متجه السرعة الزاوية والتي لها قيمة معدل الدوران ω وتكون متجهة نحو محور الدوران للإطار المرجعي الدوار, والرمز × يبين عامل ضرب المتجه.

يمكن ضرب المعادلة بكتلة الجسم للحصول على قوة الكوريوليس:

\boldsymbol{ F}_C = -2 \, m \, \boldsymbol{\Omega \times  v}.

يمكن تقييم الضرب المتجهي بمحدد المصفوفة:

\boldsymbol{\Omega \times v} = \begin{vmatrix} \boldsymbol{i}&\boldsymbol{j}&\boldsymbol{k} \\ \Omega_x & \Omega_y & \Omega_z \\ v_x & v_y & v_z \end{vmatrix}\ = \begin{pmatrix} \Omega_y v_z - \Omega_z v_y \\ \Omega_z v_x - \Omega_x v_z \\ \Omega_x v_y - \Omega_y v_x \end{pmatrix}\ ,

حيث أن المتجهات i, j, k هي متجهات الوحدة باتجاه x, y وz.

تطبيقات[عدل]

الأعاصير[عدل]

شكل توضيحي يبين الدوائر العطالية لكتل هوائية في غياب القوى الأخرى، تم حسابها عند سرعات رياح تتراوح بين 50 و70 م\ث. لاحظ أن الدوران معاكس تماما لما يمكن أن يحدث مع كتل هوائية في أنظمة الطقس ذات الضغط المنخفض.

يمكن ملاحظة تأثير الكوريوليس في الحياة العملية مثلا لتفسير دوران الأعاصير شمال وجنوب الكرة الأرضية. نظرا لاختلاف درجات الحرارة عند كل من القطبين وعلى خط الاستواء فإن فرقا في الضغط الجوي ينشأ دافعا الهواء من القطبين نحو خط الاستواء. أثناء سير الرياح فإنها تتعرض لظاهرة الكوريوليس ولما كانت الكرة الأرضية تدور باتجاه الشرق فإن تخلف حركة الرياح تظهر باتجاه خط الاستواء ونحو الغرب. يظهر هذا في شكل أعاصير لها اتجاه عقارب الساعة شمال الكرة الأرضية وعكس عقارب الساعة جنوب الكرة الأرضية.

بندول فوكو[عدل]

يمثل بندول فوكو أول تطبيق عملي استعمل لإثبات دوران الأرض حول محورها بحيث يبدو هذا جليا للمشاهدين. يبلغ طول بندول فوكو 67 متراً وبه ثقل كتلته 28 كغم. يستطيع هذا البندول أيضا تمييز دوائر العرض.

فكرة خاطئة[عدل]

هناك من يسمع عن تأثير الكوريوليس واختلاف دوران الأعاصير شمال وجنوب الكرة الأرضية فيظن أن الأمر نفسه ينطبق على المسطحات المائية الصغيرة مثل مغاسل المياه والحمامات. للأسف فإن هذه المعلومة الخاطئة قد انتشرت حتى في بعض شبكات التلفزة والإذاعة والأخبار. في الحقيقة لايمكن الجزم بتطبيق هذه الظاهرة على التحركات ذات المسافات القصيرة جدا نسبة إلى قطر الكرة الأرضية بل إن مايحدث في المغطس أو المغسلة من دوران يختلف بحسب طبيعة السطح المائي واتجاه الحركة الأولي. على سبيل المثال يمكن لصنبور المياه جعل الاتجاه مع أو عكس عقارب الساعة بمجرد ميلان صغير أثناء السقوط على السطح.

انظر أيضاً[عدل]

مراجع ومصادر[عدل]

قراءات أخرى[عدل]

  • Grattan-Guinness, I., Ed., 1994: Companion Encyclopedia of the History and Philosophy of the Mathematical Sciences. Vols. I and II. Routledge, 1840 pp.
    1997: The Fontana History of the Mathematical Sciences. Fontana, 817 pp. 710 pp.
  • Khrgian, A., 1970: Meteorology—A Historical Survey. Vol. 1. Keter Press, 387 pp.
  • Kuhn, T. S., 1977: Energy conservation as an example of simultaneous discovery. The Essential Tension, Selected Studies in Scientific Tradition and Change, University of Chicago Press, 66–104.
  • Kutzbach, G., 1979: The Thermal Theory of Cyclones. A History of Meteorological Thought in the Nineteenth Century. Amer. Meteor. Soc., 254 pp.

وصلات خارجية[عدل]