Маятник Фуко. Закон Бэра

Маятник Фуко

В прямолинейно движущейся НИСО сохраняется однородность пространства, а изотропность пространства не сохраняется, т. е. физически выделяется направление анизотропии пространства — направление вектора а. Во вращающейся НИСО пространство утрачивает и однородность, и изотропность. Неоднородность пространства во вращающейся системе отсчета проявляется в том, что на материальные тела, находящиеся во вращающейся системе отсчета, действует центробежная сила, величина которой зависит от величины радиус-вектора, т. е. от положения тела в пространстве.

Следовательно, точки пространства, находящиеся на разных расстояниях от оси вращения системы отсчета, неэквивалентны. Анизотропия пространства во вращающейся системе отсчета проявляется в зависимости от направления действия силы Кориолиса, т. е. от направления движения материального тела относительно вектора угловой скорости вращающейся неинерциальной системы.

Сила инерции Кориолиса проявляется в опыте с «маятником Фуко», придуманным французским ученым Жан-Бернаром Леоном Фукó (Jean Bernard Léon Foucault, 1819—1868 гг.) в 1850 г. — массивным шаром, подвешенным на достаточно длинной нити и совершающий малые колебания около положения равновесия. Поведение маятника Фуко объясняется неинерциальностью системы, связанной с Землей (рис. 1). Если бы система, связанная с Землей, была инерциальной, плоскость качаний маятника Фуко оставалась бы неизменной относительно Земли. На самом деле плоскость качаний маятника вследствие вращения Земли поворачивается, и проекция траектории маятника на поверхность Земли имеет вид розетки. Оригинальный 67-метровый маятник Фуко был подвешен к вершине купола парижского Пантеона. Копия маятника Фуко демонстрировалась в Исаакиевском соборе Ленинграда в 1931—1987 гг.

Рисунок 1. Маятник Фуко

Среди десяти красивейших экспериментов за всю историю физики эксперимент с маятником Фуко занял десятое место.

Закон Бэра

В 1857 г. российским естествоиспытателем Карлом Максимовичем (Карлом Эрнстом) Бэром (1792—1876 гг.) был сформулирован закон Бэра:

Реки, текущие в Северном полушарии на юг (Днепр, Дон, Волга и др.), размывают свои западные берега. В результате, западный берег оказывается крутым, а восточный — пологим.

Следует отметить, что условия течения воды в реках очень сложны, поэтому факт преимущественного подмывания правого берега не следует целиком приписывать только действию силы Кориолиса.

При движении тел вдоль экватора сила Кориолиса направлена вертикально по радиусу от центра Земли, если тело движется с запада на восток, и к центру Земли, если тело движется с востока на запад. При вертикальном движении тела в земном поле тяжести также действует сила Кориолиса, что учитывают при запуске ракет, снарядов и т. д.

При свободном падении тел на них действует кориолисова сила, обусловливающая отклонение к востоку от линии отвеса. Эта сила максимальна на экваторе и обращается в ноль на полюсах. Это отклонение, однако, очень незначительно. Так, отклонение при падении с высоты 100 м на широте 60º составляет всего около 1 см.

Для тел, движущихся вблизи земной поверхности, этот эффект, возникающий вследствие вращения Земли вокруг своей оси, сводится к тому, что вертикально падающие тела будут отклоняться к востоку, а тела, движущиеся вдоль земной поверхности, будут отклоняться в Северном полушарии вправо, а в Южном — влево от направления их движения.

Большую роль сила Кориолиса играет в метеорологических явлениях. Например, пассаты — ветры, дующие от тропиков к экватору, — без вращения Земли должны были бы быть направлены в Северном полушарии точно с севера на юг (в Южном — с юга на север). В действительности же под влиянием кориолисовой силы они отклоняются к западу.

Рассмотрим область пониженного давления (циклон) на каком-то участке Земли. В результате перепада давления молекулы воздуха устремляются в центр низкого давления. Из-за силы Кориолиса в Северном полушарии в циклоне возникает ветер против часовой стрелки, в Южном полушарии — по часовой стрелке.

В результате перепада давления молекулы воздуха устремляются от центра высокого давления. На них начинает действовать сила Кориолиса, направленная перпендикулярно радиусу. Вследствие наличия силы Кориолиса в Северном полушарии в области антициклона возникает ветер по часовой стрелке, в Южном полушарии — против часовой стрелки.