Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

7. Ураган Айрин, приближающийся к Багамским островам (в Северном полушарии) в августе 2011 года, вид со спутника. (a) Закручивание воздушных масс вокруг центральной области низкого давления осуществляется в направлении, противоположном вращению часовой стрелки; (b) наблюдавшаяся в феврале того же года обратная ситуация в Южном полушарии показана на примере циклона Бингиза близ Мадагаскара

Сила Кориолиса действует не только на ветры: она влияет еще и на морские течения и приливы (см. главу 5, «Температура Земли»). Действие вращения Земли на передвижение водных масс было замечено Пьером-Симоном Лапласом еще в XVIII веке, задолго до Кориолиса. Но Лаплас для их объяснения не стал изобретать фиктивные силы инерции.

8. Пассаты отклоняются к западу под действием силы Кориолиса из-за вращения Земли (a), в чем можно убедиться с помощью правила левой руки (b)

Идеи Кориолиса же были приняты не без сомнений. Один из членов Французской академии наук в 1859 году писал: «Эти фиктивные силы приводят к правильному результату; однако именно потому что они фиктивные, такое рассмотрение, по-видимому, не способно дать нам четкое представление о природе этого явления путем анализа действительных причин». Это замечание выдвигает на первый план яркий новаторский характер введенного Кориолисом понятия, польза которого сегодня неоспорима.

Каждый наблюдал возникновение водоворота при стоке воды из раковины. В каком направлении он закручивается? Широко распространено ошибочное мнение, что в Северном полушарии вода всегда закручивается против часовой стрелки (илл. 7), в то время как в Южном – наоборот. Конечно, сила Кориолиса влияет на слив воды, но нужен куда больший масштаб, чтобы ее воздействие стало определяющим.

Соответствующий опыт был поставлен Ашером Шапиро в Массачусетском технологическом институте (США) в 1962 году. Он использовал бак примерно двухметрового диаметра и глубиной около 15 см. Бак опустошался за 20 минут, и водоворот (наблюдаемый благодаря плавающему предмету) через 15 минут действительно закручивался против часовой стрелки.

Что касается наших раковин, которые намного меньше и опустошаются быстрее, направление водоворота объясняется скорее деталями геометрического характера (неровностями раковины, изначально полученным водою импульсом и т. д.). Поэтому возможны оба направления закручивания независимо от полушария, в котором вода уходит из раковины!

Закручивание воды при стоке из раковины.Вопреки распространенному мнению, направление вращения не зависит от того, в каком полушарии Земли оно происходит

Согласно закону Бэра, правый берег рек круче левого в Северном полушарии, противоположный эффект наблюдается в Южном. Это наблюдение было сделано для сибирских рек, Нила, Дуная… Объяснение этого явления связано с силой Кориолиса, которая заставляет течение реки отклониться к правому берегу (илл. 9). Из-за трения у берегов поток быстрее на поверхности, чем у дна реки, и, следовательно, сила Кориолиса также больше на поверхности. Это приводит к вертикальной циркуляции воды, которая способствует эрозии правого берега и появлению наносов на левом берегу. Процесс несколько напоминает механизм образования меандров (см. главу 1, «Как меняется русло рек?»). Однако при оценке воздействия силы Кориолиса мы обнаружим, что оно незначительно. По этой причине данную проблему, которая была предметом доклада Эйнштейна, а также многонедельного спора во Французской академии наук в 1859 году, все еще нельзя рассматривать как решенную.

9. Cила Кориолиса F → COотклоняет течение рек к правому берегу в Северном полушарии и к левому – в Южном

10. Платформа Кориолиса в Гренобле в 2000 году. Ее демонтировали в начале XXI века и восстановили в 2014 году

Для решения проблем механики у исследователей есть выбор между двумя методами. Астрономы чаще всего предпочитают невращающуюся систему координат, установленную относительно самых далеких, условно неподвижных звезд. Другой метод состоит в том, чтобы использовать систему координат, связанную с Землей, что обязывает вводить мнимые силы: силу Кориолиса и центробежную силу. Так поступают в метеорологии: неудобство несущественно, ведь большую часть сил (вес, трение и т. д.) было бы слишком трудно учитывать в системе отсчета, связанной со звездами. И все же не всегда легко принимать в расчет силу Кориолиса в вычислениях, поэтому необходимо проверять их опытным путем. В этом цель платформы Кориолиса, установленной в Гренобле. Это вращающаяся платформа диаметром 13 м, на которую устанавливаются бассейны различной формы и размеров, выдерживает вес вплоть до 300 т и совершает до четырех оборотов в минуту (илл. 10).

Говорят, что мореплаватель Пифей из Массалии (нынешний Марсель) в IV веке до нашей эры уже подозревал, что основная причина приливов – Луна: он заметил, что ритм приливов соответствует ее обращению вокруг Земли. Сегодня известно, что это явление действительно обусловлено воздействием на водоемы гравитационных сил Луны и Солнца. В этой главе мы подробно опишем движение вод при приливах и отливах.

Прилив – впечатляющее явление. В некоторых местах, например на берегах Ла-Манша (илл. 1), порой прилив может оказаться опасным для тех, кто рискует отправиться на прогулку по океанскому пляжу.

Благодаря Ньютону (см. главу 4, «Ньютоновская механика») мы знаем, какой закон физики лежит в основе приливов: вскоре после открытия закона всемирного тяготения Ньютон показал, что приливы – одно из его проявлений. Луна притягивает воду океана, которая, таким образом, становится выпуклой. Эта выпуклость остается обращенной к Луне, в то время как Земля продолжает вращаться вокруг своей оси. Когда эта избыточная масса воды доходит до берега, начинается прилив. Затем, по мере дальнейшего движения Луны, ее влияние переносится на сушу, избыточный водный шлейф возвращается в океан – происходит отлив. Это описание, однако, не бесспорно. Первое возражение: Земля обращается вокруг себя за 24 часа, Луна почти не двигается в течение этого времени (ей требуется приблизительно 27 дней, чтобы совершить оборот вокруг Земли). Следовательно, можно ожидать одного прилива в день. Но их происходит два! Второе возражение: почему роль Луны в явлении прилива столь значительна, в то время как Земля с куда большей силой притягивается Солнцем?