Nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng Coriolis lên sự chuyển động trên Trái Đất

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 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:  rvmF   2 (1.1) Với. rv  : 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 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 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 cw  hướng theo phía đông, còn lực Coriolis cF  sẽ hướng sang phía tây(hình 2.1). Khi chất điểm chuyển động theo chiều từ Nam lên Bắc thì gia tốc cw  hướng theo phía tây, còn lực cF  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 cw  sẽ hướng dọc theo bán kính MC của vĩ tuyến (hình 2.3) còn lực cF  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.   0V  cF  c o Hình 2.3  M  M F c 0 v   Hình 2.1 M F c 0 v   Hình 2.2 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 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 cF  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:    cos 2 3 2 g h  (2.1) Giả sử vật rơi ở độ cao h=100m, tại vị trí có vĩ độ  =21 0 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 cw  v  T ây Hình 2.5 Đ ô n g cF  O y M cF  P  h z x Đông Hình 2.4  Hình 2.6 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 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 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 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.