تأثير كوريوليس

ملف:Corioliskraftanimation.gif

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

تعطى صيغة المتجه لقيمة واتجاه تسارع الكوريوليس بالعلاقة

${\mathit{a}}_C=-2\mathrm{\Omega }\mathit{\times }\mathit{v}$

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:

${\mathit{F}}_C=-2m\mathrm{\Omega }\mathit{\times }\mathit{v}$.

يمكن تقييم الضرب المتجهي بمحدد المصفوفة:

$$\begin{gathered} \mathrm{\Omega }\mathit{\times }\mathit{v}=\left|\begin{array}{ccc}\mathit{i}& \mathit{j}& \mathit{k}\\ {\mathrm{\Omega }}_x& {\mathrm{\Omega }}_y& {\mathrm{\Omega }}_z\\ v_x& v_y& v_z\end{array}\right| \\ =\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\Omega }}_y{v}_z-{\mathrm{\Omega }}_z{v}_y\\ {\mathrm{\Omega }}_z{v}_x-{\mathrm{\Omega }}_x{v}_z\\ {\mathrm{\Omega }}_x{v}_y-{\mathrm{\Omega }}_y{v}_x\end{array}\right) \\ , \end{gathered}$$

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

تطبيقات

الأعاصير

ملف:Coriolis effect14.png

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

طالع أيضاً: بندول فوكو

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

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

• بندول فوكو

مراجع ومصادر

• Coriolis, G.G., 1832: Mémoire sur le principe des forces vives dans les mouvements relatifs des machines. Journal de l'école Polytechnique, Vol 13, 268–302.
  (Original article [in French], PDF-file, 1.6 MB, scanned images of complete pages.)
• Coriolis, G.G., 1835: Mémoire sur les équations du mouvement relatif des systèmes de corps. Journal de l'école Polytechnique, Vol 15, 142–154
  (Original article [in French] PDF-file, 400 KB, scanned images of complete pages.)
• Gill, AE Atmosphere-Ocean dynamics, Academic Press, 1982.
• Durran, D. R., 1993: Is the Coriolis force really responsible for the inertial oscillation?, Bull. Amer. Meteor. Soc., 74, 2179–2184; Corrigenda. Bulletin of the American Meteorological Society, 75, 261
• Durran, D. R., and S. K. Domonkos, 1996: An apparatus for demonstrating the inertial oscillation, Bulletin of the American Meteorological Society, 77, 557–559.
• Marion, Jerry B. 1970, Classical Dynamics of Particles and Systems, Academic Press.
• Persson, A., 1998 How do we Understand the Coriolis Force? Bulletin of the American Meteorological Society 79, 1373–1385.
• Symon, Keith. 1971, Mechanics, Addison-Wesley
• Phillips, Norman A., 2000 An Explication of the Coriolis Effect, Bulletin of the American Meteorological Society: Vol. 81, No. 2, pp. 299–303.
• Akira Kageyama & Mamoru Hyodo: Eulerian derivation of the Coriolis force
• James F. Price: A Coriolis tutorial

قراءات أخرى

• 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

• The definition of the Coriolis effect from the Glossary of Meteorology
• The Coriolis Effect PDF-file. 17 pages. A general discussion by Anders Persson of various aspects of the coriolis effect, including Foucault's Pendulum and Taylor columns.
• Anders Persson The Coriolis Effect: Four centuries of conflict between common sense and mathematics, Part I: A history to 1885 History of Meteorology 2 (2005)
• 10 Coriolis Effect Videos and Games- from the About.com Weather Page
• Coriolis Force - from ScienceWorld
• The Coriolis Effect: An Introduction. Details of the causes of prevailing wind patterns. Targeted towards ages 5 to 18.
• Coriolis Effect and Drains An article from the NEWTON web site hosted by the Argonne National Laboratory.
• Do bathtubs drain counterclockwise in the Northern Hemisphere? by Cecil Adams.
• Bad Coriolis. An article uncovering misinformation about the Coriolis effect. By Alistair B. Fraser, Emeritus Professor of Meteorology at Pennsylvania State University
• Getting Around The Coriolis Force, an intuitive explanation
• Observe an animation of the Coriolis effect over Earth's surface
• Animation clip showing scenes as viewed from both an inertial frame and a rotating frame of reference, visualizing the Coriolis and centrifugal forces.
• Vincent Mallette The Coriolis Force @ INWIT™
• Catalog of Coriolis videos
• NASA notes

bg:Кориолисова сила bn:কোরিয়োলি ক্রিয়া ca:Efecte de Coriolis cs:Coriolisova síla da:Corioliseffekten de:Corioliskraft el:Δύναμη Κοριόλις Coriolis effect]] eo:Koriolisforto es:Efecto Coriolis et:Coriolisi efekt fa:نیروی کوریولیس fi:Coriolis-ilmiö fr:Force de Coriolis ga:Iarmhairt Coriolis gl:Forza de Coriolis he:כוח קוריוליס hr:Coriolisov učinak ht:Efè Coriolis hu:Coriolis-erő id:Efek Coriolis it:Forza di Coriolis ja:コリオリの力 ko:코리올리 효과 lt:Koriolio efektas lv:Koriolisa spēks nl:Corioliseffect nn:Corioliskrafta no:Corioliskraft pl:Efekt Coriolisa pt:Força inercial de Coriolis ro:Forța Coriolis ru:Сила Кориолиса simple:Coriolis effect sk:Coriolisova sila sl:Coriolisova sila sr:Кориолисов ефекат su:Éfék Coriolis sv:Corioliseffekten szl:Efekt Coriolisa te:కోరియోలిస్ ప్రభావం tr:Coriolis kuvveti uk:Сила Коріоліса vi:Hiệu ứng Coriolis zh:科里奥利力