nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng coriolis lên chuyển động trên trái đất

luận văn về nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng coriolis lên chuyển động trên trái đất

363

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG CORIOLIS LÊN SỰ CHUYỂN ĐỘNG TRÊN TRÁI ĐẤT

RESEARCH ABOUT INFLUENCE OF CORIOLIS EFFECT TO

MOVEMENTS ON THE EARTH

SVTH: ĐẶNG THỊ THUẬN,

Lớp: 04VL, Trường Đại học Sư phạm

GVHD: ThS NGUYỄN VĂN ĐÔNG

Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT

Đề tài trình bày ảnh hưởng của hiệu Coriolis lên sự chuyển động trên Trái Đất Trên cơ sở đó giải thích cơ chế hình thành, di chuyển của các cơn bão và áp thấp nhiệt đới ở nước ta

ABSTRACT

This subject present about influence of Coriolis effect to movements on the earth On this base, it explain mechanism shapes,the movement of storm and low pressure in our country

1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài.

Thế giới mà chúng ta đang sống có biết bao điều bí ẩn, có những hiện tượng xảy ra trong tự nhiên mà con người không sao giải thích được Nước ta nằm trong khu vực Đông Nam Á, là nơi chịu nhiều thiên tai như: bão, lũ, động đất, sóng thần…Những năm gần đây, nước ta luôn chịu ảnh của các cơn bão mà hậu quả để lại hết sức nặng nề Bão là một đề tài nóng đang được nước ta cũng như tất cả các nước khác trên thế giới đặc biệt quan tâm Nhắc đến “bão” thì ai cũng nghĩ đến hậu quả mà nó để lại, nhưng nếu nói đến đặc điểm cơ chế hình thành, di chuyển của các cơn bão thì có lẽ ít người biết đến Là sinh viên sư phạm vật lý, được tiếp xúc với học phần cơ học lý thuyết, tôi muốn vận dụng những kiến thức tích luỹ được để giải thích những

hiện tượng cụ thể xảy ra trong tự nhiên Chính vì vậy tôi chọn đề tài:”Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis lên sự chuyển động trên Trái Đất”

1.2 Mục đích nghiên cứu Mục đích của đề tài là vận dụng những kiến thức về cơ lý thuyết

để giải thích một số hiện tượng thường gặp xảy ra trong tự nhiên, nhằm giúp chúng ta thấy

rõ tầm quan trọng của cơ học lý thuyết nói riêng và vật lý học nói chung trong thực tế đời sống

2 NỘI DUNG

2.1 Hiệu ứng Coriolis

2.2 Khái niệm

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:

m

F  





Với.vr

: là véctơ vận tốc tương đối của vật

:là véctơ vận tốc góc của hệ qui chiếu quay

2.3 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

364

đang quay(xem hình 1.1) 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

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

Hình 1.1

3 Ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis đến chuyển động của các vật trên Trái Đất

3.1 Chuyển động trên mặt đất

Giả sử vật M chuyển động tịnh tiến theo kinh tuyến từ Bắc xuống Nam với vận tốc v0 (m/s) Bởi vì Trái đất quay quanh trục ngược chiều kim đồng hồ nên nếu nhìn từ cực bắc xuống cực nam thì vectơ vận tốc góc  sẽ nằm dọc theo trục với hướng từ Nam lên Bắc Bỏ qua kích thước của vật xem nó như một chất điểm Tại Bắc bán cầu, gia tốc Coriolis wc

hướng theo phía đông, còn lực CoriolisFc

sẽ hướng sang phía tây(hình 2.1)

Khi chất điểm chuyển động theo chiều từ Nam lên Bắc thì gia tốc wc

hướng theo phía tây, còn lực Fc

sẽ hướng sang phía đông(hình 2.2) Ta thấy cả hai trường hợp, lực này đều kéo điểm chuyển động lệch sang bên phải theo

chiều chuyển động của chất điểm

Nếu chất điểm chuyển động theo vĩ tuyến sang phía đông, thì gia tốc wc

sẽ hướng dọc theo bán kính

MC của vĩ tuyến (hình 2.3) còn lựcFc

thì có chiều ngược lại Thành phần thẳng đứng của lực này (dọc theo MO) sẽ hơi làm thay đổi trọng lượng của vật, còn thành phần nằm ngang sẽ hướng về phía nam và cũng

có tác dụng làm điểm chuyển động lệch sang bên phải Đối với chuyển động theo vĩ tuyến sang phía tây, ta cũng có kết quả tương tự

Như vậy dưới ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis , vật chuyển động trên mặt đất theo mọi phương ở Bắc bán cầu đều bị kéo lệch sang phía đông Chuyển động ở Nam bán cầu sẽ bị kéo lệch sang phía tây





0

V

c

F 

c

o

Hình 2.3



M



M

F c  v0



Hình 2.1

M

Fc

0

v





Hình 2.2

365

3.2 Chuyển động rơi tự do

Một vật rơi tự do tại vị trí cách mặt đất một đoạn h ở vĩ độ  Tại Bắc bán cầu, vật sẽ

bị lực Coriolis Fc

kéo lệch sang phía đông Từ phương trình chuyển dộng của chất điểm rơi tự

do ta thiết lập được công thức xác định độ lệch của chất điểm như sau:





3

2

g

h

Giả sử vật rơi ở độ cao h=100m, tại vị trí có vĩ

độ =210 thì nó sẽ lệch sang phía đông một đoạn 2

cm

Nếu vật bị ném thẳng đứng lên thì lực Coriolis

sẽ kéo vật lệch sang phía tây Tuy nhiên,độ lệch này

rất bé, chỉ có thể thấy được khi rơi xuống hoặc bay

lên với độ cao rất lớn

3.3 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 và có độ lớn:

ve= R ω = Rω cos  (2.2) Ngoài vận tốc tương đối v

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 Rφ 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 2.5) 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

3.4 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

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

c

w

v

Hình 2.5

c

F

O

y

M

c

F

P

h

z

x

Đông

Hình 2.4



366

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 Ngoài ra cũng dưới tác dụng của lực Coriolis, ở Bắc bán cầu các xoáy nước và xoáy của gió cuồng phong, lốc xoáy hầu như đều xoay theo chiều kim đồng, còn Nam bán cầu thì ngược lại.(hình 2.6)

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

4.1 Giải thích cơ chế hình thành của các cơn bão

Ở mục 2.4 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 3.1

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

4.2 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 3.1) 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 Hình 3.2 Sức gió và các thành phần khác nhau của cơn bão

Hình 3.1

367

Tây ( Tây Bắc - Tây Nam)

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 3.2), tàu thuyền ở nửa bên phải rất dễ bị cuốn vào vùng gần trung tâm là nơi có sức tàn phá của bão

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Đề tài mà tôi nghiên cứu đã làm được những việc sau:

Xác định bản chất của hiệu ứng Coriolis

Tìm ra được ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis lên sự chuyển động trên Trái Đất Cụ thể

là hiệu ứng Coriolis làm cho chuyển động ở Bắc bán cầu bị lệch sang phía đông và chuyển động ở Nam bán cầu lệch sang phía tây

Giải thích được hiện tượng xói mòn và bồi đắp ở các con sông

Giải thích được cơ chế hình thành của các cơn bão, áp thấp nhiệt đới: Ở Bắc bán cầu, bão(hoặc áp thấp nhiệt đới) có dạng xoáy ngược chiều kim đồng hồ; còn ở Nam bán cầu sẽ có hiện tượng ngược lại

Qua việc giải thích cơ chế hình thành, di chuyển của các cơn bão và áp thấp nhiệt đới ở nước ta, tôi xin có một số kiến nghị sau:

Bão là một loại thiên tai rất nguy hiểm, do đó công tác phòng chống lụt bão phải hết sức khẩn trương, kịp thời để hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do bão gây ra

Công tác dự báo phải chính xác,nhanh chóng và kịp thời

Phải đề ra những kế hoạch cụ thể trước mắt và lâu dài trong công tác phòng chống lụt bão đối với những vùng thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão lụt

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] X.M.Targ, Giáo trình giản yếu cơ học lý thuyết, Nhà xuất bản đại học và trung học

chuyên nghiệp Hà Nội

[2] Nguyễn Hữu Mình, Bài tập vật lý lý thuyết, Nhà xuất bản đại học quốc gia Hà Nội

[3] L.Liboutry, vật lý cơ sở, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật

[4] Phan Văn Cúc & Nguyễn Trọng, Giáo trình cơ học lý thuyết, Nhà xuất bản xây dựng

[5] wwww.Solar.ifa.hawaii.edu

[6] http//vi.wikipedia.org/wiki/Hi%E1%BB%A9ng Coriolis