Ứng dụng hiệu ứng Coriolis giải thích một số hiện tượng tự nhiên

Nước ta ở bán cầu Bắc khi dòng nước chảy vào lỗ thoát nước xung quanh chỗ đó nước luôn luôn chuyển động xoáy theo chiều ngược chiều kim đồng hồ. Kể cả khi ta khuấy nước cho nước chuyển động theo chiều ngược lại thì nước sẽ chảy chậm dần và cuối cùng lại chuyển động theo chiều cũ. Những cơn bão ở Bắc bán cầu trong quá trình di chuyển cũng chuyển động xoáy ngược chiều kim đồng hồ. Nhưng ở Nam bán cầu thì các hiện tượng trên hoàn toàn ngược lại. Nguyên nhân của các hiện tượng đó là do hiệu ứng Coriolis gây ra.

1. Hiệu ứng Coriolis

Hiệu ứng Coriolis là hiệu ứng xảy ra trong các hệ qui chiếu quay so với các hệ quy chiếu quán tính. Nó được thể hiện qua hiện tượng lệch quĩ đạo của những vật chuyển động trong hệ qui chiếu này. Sự lệch quĩ đạo do một loại lực quán tính gây ra, gọi là lực Coriolis. Lực Coriolis được xác định bằng công thức sau:

F = - 2m[v ^ w]

Với v là véctơ vận tốc tương đối của vật.

w là véctơ vận tốc góc của hệ qui chiếu quay. 

^ là tích véctơ.

2. Giải thích hiệu ứng

Giả sử có một vật thể chuyển động thẳng đều, trong một hệ quy chiếu quán tính, từ tâm đĩa ra mép đĩa, sẽ được quan sát thấy như chuyển động cong trong hệ quy chiếu gắn với đĩa đang quay(xem hình 1). Nếu một vật chuyển động dọc theo đường bán kính theo chiều rời xa trục quay của hệ qui chiếu thì sẽ chịu tác động của một lực theo phương vuông góc với bán kính và theo chiều ngược với chiều quay của hệ. Còn nếu vật chuyển động về phía trục quay thì lực sẽ tác động vào vật theo chiều quay của hệ quy chiếu. Điều này nghĩa quay về ngược chiều quay của hệ qui chiếu. Còn nếu như vật được thả lăn tự do về phía trục thì là nếu vật được thả lăn tự do theo phương của bán kính, theo chiều ra phía ngoài, thì nó sẽ sẽ ngược lại.

Hình 1

Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời, đồng thời Trái Đất chuyển động tự quay quanh trục của nó. Hệ quy chiếu gắn với Trái Đất là hệ quy chiếu phi quán túnh, do đó các vật chuyển động trên Trái Đất cũng chịu ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis. Hiệu ứng này khó cảm nhận được, do chuyển động quay của Trái Đất rất chậm. Nó chỉ xuất hiện trong các quá trình kéo dài, hoặc tác động vào những vật chuyển động nhanh, hay các vật "tự do" tức là tổng các lực tác động lên nó là nhỏ cỡ độ lớn của lực Coriolis.

3. Kiểm chứng hiệu ứng Coriolis

Con lắc Foucault, đặt tên theo nhà vật lý người Pháp Léon Foucault, là một thí nghiệm để chứng tỏ rằng Trái Đất đang tự quay quanh trục của nó; và là một hệ quả của hiệu ứng Coriolis cho chuyển động trong hệ quy chiếu quay.

Hình 2

Vào năm 1851, nhà khoa học người Pháp Léon Foucault đã sử dụng một dây thép dài 68 m để treo một quả cầu sắt nặng 31 kg từ mái vòm của nhà thờ Panthéon và tác dụng một lực ban đầu, cho nó lắc đi lắc lại. Để đánh dấu quá trình chuyển động của quả cầu, ông đã cho gắn một kim nhọn vào quả cầu và cho vẽ một vòng tròn trên cát ẩm ở mặt đất phía dưới chuyển động của quả cầu. Quả cầu đã để lại những vệt của đường đi khác nhau sau mỗi chu kỳ chuyển động chậm chạp và quỹ đạo này đã chỉ ra rằng Trái Đất quay tròn xung quanh trục của nó. Tại đường vĩ độ đi qua thành phố Paris, đường chuyển động của con lắc đã thực hiện một vòng quay thuận chiều kim đồng hồ cứ sau 30 giờ. Tại Nam Bán Cầu, đường đi đó ngược chiều kim đồng hồ, và tại xích đạo, nó không quay tròn chút nào. Tại Nam Cực, những nhà khoa học ngày nay đã xác nhận chu kỳ của đường đi của con lắc là 24 giờ.

4. Giải thích một số hiện tượng tự nhiên

4.1. Sự xói mòn bờ của các con sông

Các con sông (chính xác là nước sông) là các vật chuyển động đối với quả đất nên chịu ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis. Giả sử một dòng sông ở Bắc bán cầu chảy dọc theo kinh tuyến Trái Đất từ Bắc xuống Nam. Vận tốc kéo theo của bất kỳ điểm nào của Trái Đất hướng theo tiếp tuyến của vĩ tuyến với chiều từ Tây sang Đông.

Hình 3

Ngoài vận tốc tương đối của hạt nước còn có vận tốc kéo theo nói trên. Khi chuyển động từ Bắc xuống Nam chúng đi từ vĩ tuyến này đến vĩ tuyến khác có bán kính lớn hơn và vì vậy vận tốc kéo theo không ngừng tăng lên nhưng không thay đổi chiều (từ Tây sang Đông). Ngoài ra do chuyển động quay của Trái Đất. Vận tốc tương đối sẽ thay đổi phương trong không gian, xoay từ Tây sang Đông. Điều đó dẫn tới chỗ là các hạt nước được gia tốc và như vậy là có lực tác dụng theo chiều của gia tốc(hình 3). Lực này xuất hiện do sức ép của bờ tây tức là bờ phải của con sông lên nước. Nhưng theo định luật về sự cân bằng của lực tác dụng và phản lực nước sẽ ép lên bờ phải với một lực như vậy và dần dần xói mòn nó. Ở Bắc bán cầu, khi xuôi theo dòng nước thì bờ tây bị xói mòn, còn ở Nam bán cầu khi xuôi dòng nước thì bờ đông bị xói mòn.Như vậy đến đây ta có thể giải thích được tại sao các con sông chảy dọc theo kinh tuyến lại có hiện tượng bên bồi bên lở. Trong trường hợp vừa xét vận tốc tương đối nhỏ nên lực Coriolis cũng nhỏ nhưng tác dụng liên tục và lâu dài của nó dẫn tới kết quả đáng kể.

4.2. Sự lệch hướng gió.

Bằng ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis ta cũng giải thích được vì sao ở Bắc bán cầu gió thổi lệch về bên phải so với hướng giảm của áp suất, còn ở Nam bán cầu thì gió lệch về bên trái.

Hình 4

Nếu từ một miền nào trên bắc bán cầu có luồng gió thổi về phía cực bắc, nghĩa là luồng gió này tiến về những vùng vĩ tuyến có vận tốc dài nhỏ hơn so với nó, do vậy gió thổi tới các miền ở phương bắc không theo chiều bắc mà theo chiều Đông - Bắc. Càng xa điểm xuất phát bao nhiêu thì thành phần “phương đông” càng lớn bấy nhiêu. Đối với ngưòi quan sát ở trên mặt đất thì hiện tượng này trông như thể có một lực nào đấy tác động từ phía tây về phía đông. Lực này chính là lực Coriolis. (hình 4)

4.3. Sự hình thành, di chuyển của các cơn bão và áp thấp nhiệt đới ở nước ta.

a. Giải thích cơ chế hình thành của các cơn bão.

Ở trên chúng ta đã biết, dưới ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis ở Bắc bán cầu, gió thổi có xu hướng lệch về phía đông. Nước ta nằm ở Bắc bán cầu, tại các vùng biển lực Coriolis làm cho gió bề mặt trong vùng xoáy luôn có chiều ngược với kim đồng hồ.Các cơn bão ở Bắc bán cầu luôn có dạng xoáy ngược chiều kim đồng hồ, còn ở Nam bán cầu thì ngược lại.Bây giờ chúng ta sẽ giải thích để làm rõ điều đó thông qua sơ đồ hình 5.

Hình 5

Bão gây ra do các tâm áp thấp ở ngoài biển tức là có một vùng áp suất thấp, không khí xung quanh sẽ chạy dồn về đó, biến thành gió và biển động. Các mũi tên màu đỏ chỉ thị sự dồn về tâm của không khí. Như trên ta nói các vật thể chuyển động trên Trái Đất ở bán cầu Bắc chịu tác động của lực Coriolis hướng sang bên phải, vậy lực Coriolis tác động lên các phần tử không khí có hướng như mũi tên đen. Chính sự sắp xếp đó buộc không khí vừa chạy vào trong vừa bị kéo sang phải, khiến bão có dạng hình xoáy ngược chiều kim đồng hồ.Bão ở Nam bán cầu sẽ có dạng ngược lại, tức là quay theo chiều kim đồng hồ.

b. Hướng di chuyển của các cơn bão, áp thấp nhiệt đới ở nước ta.

Chuyển động của một cơn bão bao gồm hai dạng chuyển động thành phần khác nhau. Đó là chuyển động xoáy của gió bề mặt, có tốc độ gió được biểu thị bằng “sức gió” và chuyển động tịnh tiến của toàn bộ vùng xoáy hay cũng chính là tốc độ di chuyển của “mắt bão” có tốc độ biểu thị bằng tốc độ di chuyển của áp thấp nhiệt đới hoặc bão. Hướng di chuyển tịnh tiến của toàn bộ vùng xoáy được gọi là hướng di chuyển của bão.

Tại các vùng biển ở Bắc bán cầu như nước ta, do ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis sinh ra do chuyển động tự quay của Trái Đất, gió bề mặt trong vùng xoáy luôn có chiều ngược với chiều kim đồng hồ (như đã nói ở mục a). Do đó, hầu hết các cơn bão có ảnh hưởng đến vùng biển nước ta đều hình thành từ trung tâm Thái Bình Dương, vượt qua Philipin đi vào biển Đông. Trừ một vài trường hợp đặc biệt, các cơn bão (hoặc áp thấp nhiệt đới) đều có hướng di chuyển chủ đạo là từ phía Đông(Đông Nam - Đông Bắc) sang phía Tây ( Tây Bắc - Tây Nam). 

Hình 6

Tại một thời điểm nào đó tưởng tượng trãi một đường thẳng đi qua tâm bão theo hướng di chuyển của bão thì đường thẳng ấy sẽ chia vùng bão thành hai nữa, “bên phải (nửa phía bắc, nếu bão di chuyển từ Đông sang Tây) và bên trái (nửa phía Nam). Ở nữa bên phải tốc độ gió mạnh hơn, phạm vi ảnh hưởng của gió mạnh hơn, mưa và sóng biển cũng dữ dội hơn so với nữa bên trái. Do đó, sức tàn phá của cơn bão ở nữa phía Bắc bao giờ cũng mạnh hơn ở nữa kia. Sở dĩ có hiện tượng đó là do ở nửa bên phải, chiều của gió xoáy trùng với chiều di chuyển của bão nên tốc độ gió tổng cộng là lớn hơn. Còn ở nữa bên trái thì ngược lại(xem hình 6), tàu thuyền ở nửa bên phải rất dễ bị cuốn vào vùng gần trung tâm là nơi có sức tàn phá của bão

Tương tự như vậy: nếu tàu hỏa chạy theo hướng từ Nam ra Bắc thì đường ray bên phải sẽ bị nghiến rất mạnh. Đường Bắc - Nam cũng như vậy, làn đường Ôtô đi từ Nam ra Bắc thì bánh bên phải sẽ làm đường bị lún nhiều hơn, còn đi từ Bắc vào Nam thì ngược lại.

        Với lực coriolis, các luồng gió trên Bắc bán cầu sẽ thổi lệch về phía phải, nghĩa là có khuynh hướng theo chiều kim đồng hồ. Những dòng hải lưu cũng theo chiều kim đồng hồ. Tuy nhiên, lốc xoáy, dòng xoáy khi xả nước qua lỗ thoát nước lại ngược chiều kim đồng hồ.

* Chiều của các luồng gió, các dòng hải lưu: Nhưng khi có một vùng áp thấp, các dòng chảy các luồng gió đều chảy về điểm này. Các luồng này đều lệch ra phía ngoài tâm của vùng áp thấp. Khi các luồng gió này gặp nhau tại tâm, chúng sẽ tương tác với nhau để tạo thành dòng xoáy. Khi các dòng xoáy nho nhỏ đã hình thành, thì các lường gió sau đó, ngoài lực coriolis làm lệch hướng ra ngoài tâm, lại còn thêm một lực do dòng xoáy được hình thành trước đó tác động thêm. Tác động dây chuyền này làm cho dòng xoáy ngày càng lớn, và càng mạnh hơn. Vì thế, gió thì theo chiều kim đồng hồ, nhưng lốc xoáy lại ngược chiều kim đồng hồ

Tổng hợp từ Internet