Сила Кориолиса. 
Классическая и релятивистская механика

При движении тела относительно вращающейся системы отсчета, кроме центробежной силы инерции, появляется ещё одна сила, называемая силой Кориолиса, или кориолисовой силой инерции.

Появление кориолисовой силы можно обнаружить на следующем примере. Возьмем горизонтально расположенный диск, который может вращаться вокруг вертикальной оси. Прочертим на диске радиальную прямую О А.

Запустим в направлении от О к А шарик со скоростью и'. Если диск не вращается, шарик будет катиться вдоль нашей прочерченной прямой. Если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик будет катиться по изображённой пунктиром кривой ОВ, причем его скорость относительно диска и' будет изменять своё направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчёта шарик ведёт себя так, как если бы на него действовала сила F_K, перпендикулярная к скорости о'.

Рис. 5.6 В В В Рис. 5.7

Чтобы заставить шарик катиться по вращающемуся диску вдоль радиальной прямой, нужно сделать направляющую, например, в виде ребра О А. При качении шарика направляющее ребро действует на него с некоторой силой F_;., относительно вращающейся системы (диска) шарик движется с постоянной по направлению скоростью. Формально это можно объяснить тем, что сила F₍. уравновешивается приложенной к шарику силой инерции F_K, перпендикулярной к скорости и'. Сила F_K и есть кориолисова сила инерции.

Кориолисова сила возникает только в случае, когда тело изменяет свое положение по отношению к вращающейся системе отчёта. Сила Кориолиса всегда лежит в плоскости, перпендикулярной к оси вращения. (При о' = 0 выражение для кориолисовой силы обращается в нуль).

Можно найти выражение для кориолисовой силы, используя формулу (5.1.4):

начав с рассмотрения частного случая, когда частица т движется относительно вращающейся системы отсчёта равномерно по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной к оси вращения, с центром, находящимся на этой оси.

Можно найти, что:

Примеры. При свободном падении тел на них действует кориолисова сила, обусловливающая отклонение к востоку от линии отвеса. Эта сила максимальна на экваторе и обращается в нуль на полюсах.

На летящий снаряд так же действует сила Кориолиса, которую необходимо учитывать при стрельбе (рис. 5.8).

Рис. 5.8.

При выстреле из орудия, направленного, например, на север, снаряд будет отклонятся к востоку в северном полушарии и к западу — в южном. Сила Кориолиса, действующая на тело, движущееся вдоль меридиана в любом направлении, направлена по отношению к направлению движения вправо в северном полушарии и влево в южном полушарии. Это приводит к тому, что у рек в северном полушарии всегда подмывается правый берег, а у рек в южном полушарии — левый берег.

Можно рассмотреть общий случай движения тела (частицы) произвольным образом во вращающейся (неинерциальной) системе отсчета и записать уравнение второго закона Ньютона в этой системе отсчета.

В выражении (5.3.2): w' - ускорение относительно вращающейся системы отсчета, w — ускорение частицы относительно неподвижной системы отчета.

Записанное выражение означает, что во вращающейся системе отсчета, кроме сил взаимодействия, нужно учитывать центробежную силу инерции, определяемую формулой (5.2.1), а также кориолисову силу, которая и в самом общем случае определяется выражением (5.3.1). Если о' = 0, то F_K также равна нулю. Кориолисово ускорение w_K =2[ш, 5'] и перпендикулярно векторам скорости и' и ю. Умножив w_K на т и изменив знак на обратный, получаем кориолисову силу инерции (5.3.1).

Отметим некоторые явления, в которых наглядно проявляется действие силы Кориолиса или центробежной силы инерции.

Весьма наглядна демонстрация кориолисовой силы с помощью шарика, катящегося по вращающемуся диску (рис. 5.6) Определенное подмывание берегов рек в разных полушариях Земли, неодинаковый износ рельсов при двухколейном движении, отклонение падающих свободно тел обусловлены действием кориолисовой силы инерции.

Силы Кориолиса проявляются и при качаниях маятника (рис. 5.9). Плоскость качаний маятника поворачивается относительно Земли в направлении часовой стрелки, причём за сутки она совершает один оборот. Наблюдение за вращением плоскости качаний маятника (маятник Фуко) даёт непосредственное (количественное) доказательство вращения Земли вокруг своей оси.

Рис. 5.9.

На рис. 5.10 представлена модель опыта с пробирками на центробежной машине (сепаратор).

Рис. 5.10.

В этом опыте за счет центробежной силы инерции происходит оседание на дно частичек сажи, которые первоначально во взвешенном состоянии находятся в воде, заполняющей пробирку (это явление используется в бытовых центробежных стиральных машинах).