XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Цель: изучение силы Кориолиса

Задача: рассмотреть влияние силы Кориолиса на железнодорожный транспорт

1. Силы инерции

Законы Ньютона выполняются в инерциальных системах отсчёта (ИСО). Однако инерциальные системы отсчёта – это идеализация. Любое тело, с которым мы свяжем систему отсчёта, будет подвержено воздействию различных окружающих тел и относительно идеальной инерциальной системы отсчёта будет двигаться с ускорением. Следовательно, любая реальная система отсчёта является неинерциальной (НИСО).

Инерция является неотъемлемым свойством физических тел, которое заключается в их способности противодействовать любому изменению состояния движения или состояния покоя, которое является частным случаем движения

Среди сил инерции выделяют:

• Простую силу инерции. Например, в быстро останавливающемся автобусе все тела будут нарушать закон инерции — они будут иметь тенденцию продолжать движение.

• Центробежную силу. Она объясняет стремление тел улететь от оси во вращающихся системах отсчёта.

• Силу Кориолиса. Она объясняет стремление тел сойти с радиуса при радиальном движении во вращающихся системах отсчёта.

2. Сила Кориолиса

Сила Кориолиса – одна из сил инерции, существующая в НИСО из–за вращения и законов инерции, проявляющаяся при движении в направлении под углом к оси вращения. Названа по имени французского учёного Гюстава Гаспара Кориолиса, впервые её описавшего в 1833 г.

В ИСО действует закон инерции, то есть, каждое тело стремится двигаться по прямой линии с постоянной скоростью. Если рассмотреть движение тела, равномерное вдоль некоторого вращающегося радиуса и направленное от центра, то станет ясно, что чтобы оно осуществилось, требуется придавать телу ускорение, так как чем дальше от центра, тем должна быть больше касательная скорость вращения. Это значит, что с точки зрения вращающейся системы отсчёта, некая сила будет пытаться сместить тело с радиуса.

_отн

В векторной форме сила Кориолиса равна , где угловая скорость вращающейся системы отсчета, m- масса материальной точки.

Соответственно, сила Кориолиса перпендикулярна оси вращения и скорости частицы, а по величине равна , где - угол между .

Причина появления силы Кориолиса – в кориолисовом ускорении. Выражение для этого ускорения имеет вид:

, а по величине равна , где - угол между .

Ускорение направлено перпендикулярно векторам ω и . Кориолисово ускорение максимально, если относительная скорость точки ортогональна угловой скорости вращения подвижной системы отсчета, и равно нулю, если угол между векторами ω и равен нулю или если хотя бы один из этих векторов равен нулю.

3. Влияние силы Кориолиса на окружающую среду

Сила Кориолиса действует только на тела, которые движутся относительно вращающейся системы отсчета. Действием этих сил объясняется ряд наблюдаемых на Земле явлений. Например, сила Кориолиса вызывает отклонение от вертикали свободно падающего тела к востоку. Тела, движущиеся вдоль поверхности Земли, стремятся изменить направление своего движения: повернуть в Северном полушарии вправо, а в Южном — влево.

Сила Кориолиса влияет на движение рек, заставляя донные отложения перемещаться к определённому берегу. В результате в Северном полушарии реки, текущие в любом направлении, больше подмывают правый берег, а в Южном полушарии — левый.

Сила Кориолиса ответственна также и за вращение циклонов и антициклонов: в Северном полушарии вращение воздушных масс происходит в циклонах против часовой стрелки, а в антициклонах — по часовой стрелке; в Южном — наоборот: по часовой стрелке в циклонах и против — в антициклонах. Отклонение ветров (пассатов) при циркуляции атмосферы — также проявление силы Кориолиса.

4. Влияние силы Кориолиса на железнодорожный транспорт

Сила Кориолиса влияет на рельсы следующим образом: в Северном полушарии она направлена перпендикулярно движению поезда и стремится сдвинуть его вправо по ходу движения. Из-за этого колёса, прижимаясь к правому рельсу, теоретически должны стирать его сильнее. В Южном полушарии из-за изменения направления силы Кориолиса должны больше изнашиваться левые рельсы. На экваторе эффект отсутствует, поскольку в этом случае сила Кориолиса направлена вдоль вертикали или — при движении вдоль меридиана — равна нулю.

На одноколейных железных дорогах, где поезда ходят в обоих направлениях, последствия действия силы Кориолиса одинаковы для обоих рельсов. На двухколейных дорогах, где по каждой колее поезда движутся только в одном направлении, правые по ходу движения рельсы должны изнашиваться сильнее, чем левые.

Однако, на практике влияние силы Кориолиса не оказывает значительного эффекта, поскольку оно сравнительно невелико по сравнению с другими силами, действующими на поезда и транспортные средства. Проведённый нами поиск данных об экспериментальном исследовании силы Кориолиса ничего не дал, скорее всего такие исследования никто не проводил из-за малости эффекта.

5. Учет силы Кориолиса на железнодорожном транспорте

Мы решили рассчитать кориолисово ускорение, чтобы сравнить его с ускорением свободного падения:

Т- период вращения Земли вокруг своей оси:

V- средняя скорость поезда в России:

Рассмотрим, что угол между

Исходя из полученного результата, делаем вывод, что в сравнении с ускорением свободного падения (g=9,81 м/с²), ускорение Кориолиса очень мало. Поэтому влияние силы Кориолиса на рельсы и движения поездов можно считать незначительным, и ее воздействие игнорируют в инженерных расчетах. Поэтому в специальной литературе нет данных о повышенном износе одного из рельсов.

Однако, влияние силы Кориолиса на рельсы может быть значительным на высоких скоростях. Возможно, при проектировании и эксплуатации высокоскоростных магистралей этот факт придётся учитывать.

6. Выводы

Сила Кориолиса — это физический эффект, который играет роль во многих природных и инженерных процессах. Однако не во всех случаях его можно обнаружить.

В теории воздействие этой силы может приводить к повышенному износу одного из рельсов, но расчёты показывают, что это воздействие незначительно, поэтому на практике его не учитывают.

Список литературы

1. Сила Кориолиса. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сила_Кориолиса.

2. Силы инерции. «Классическая механика и силы инерции» А. Ю. Ишлинского.

3. Эффект Кориолиса. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://elementy.ru/trefil/21119/Effekt_Koriolisa

4. Влияние силы Кориолиса. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://dzen.ru/a/ZZ1ejonA_WkJz5KB