К 15 км к северу от Кито, столицы Эквадора, на высоте 2483 метра находится центр мира. Это не шутка и не преувеличение. Мы оказались в местечке с таким названием, по-испански Mitad del Mundo (Митад-дель-Мундо), что в переводе и означает - центр мира. Центр его - гигантский помпезный монумент, увенчанный земным шаром и гордо возвышающийся над окрестностями. А главная достопримечательность - желтая линия, пересекающая все поселение. Это экватор.
Весь комплекс построен исключительно для туристов совсем недавно - конце 80-х гг. ХХ века. Впрочем, архитекторы честно скопировали колониальный стиль. Здесь есть и ресторан, и киоски с сувенирами, и музей, который расположен прямо внутри монумента.
Экспозиция этнографического музея представляет жизнь различных национальностей, населяющих Эквадор. Это коренные жители, индейцы разных племен, испанские колонизаторы и жившее в горах негритянское племя - потомки рабов, спасшихся с потерпевшего кораблекрушение работоргового судна, шедшего из Африки.
На площади выступают этнические музыкальные и танцевальные коллективы.
Желтая линия - это ось, вокруг которой выстроен весь центр. Редкий посетитель откажет себе в удовольствии сфотографироваться, стоя одной ногой в Северном полушарии, а другой в Южном. В Митад-дель-Мундо есть церковь. Здесь желающие могут обвенчаться, находясь при этом в разных полушариях Земли. Церковь новая и никакими чудесами пока не прославлена, поэтому набожные католики Эквадора предпочитают ей другие, не столь посещаемые туристами храмы.
Глядя на благоустроенность этого места, сложно представить себе, с какими трудностями сталкивались члены французской геодезической экспедиции Ля Кондамина. Митад-дель-Мундо возник именно благодаря этой экспедиции. Французская геодезическая миссия отправилась в 1735 г. в Кито, чтобы решить весьма волновавший научную общественность вопрос: сплющена Земля с полюсов, как считал Ньютон, или с экватора, как предполагал Кассини, а заодно установить, где точно находится экватор, и вычислить его длину. Для того чтобы найти полуденную линию, Ля Кондамин исследовал не Землю, он смотрел на небо, искал точку, где Солнце стоит в зените. Так он определил местонахождение нулевой широты в нескольких километрах к северу от Кито. 21 марта и 23 сентября в дни весеннего и осеннего равноденствия монумент в Митад-дель-Мундо, несмотря на свою высоту, не отбрасывает никакой тени, Солнце находится прямо над ним.
Исследователи пользовались весьма примитивными по сегодняшним меркам приборами, а сама экспедиция оказалась тяжелой и опасной. Ученым приходилось пробираться сквозь джунгли, карабкаться в горы, вступать в переговоры с индейцами, к тому же преодолевать препятствия, которые чинили им колониальные власти, упорно подозревавшие в них шпионов. Сейчас о них вспоминают с почтением. От монумента, установленного в центре земли, ведет аллея, по краям которой установлены их бюсты
Особо уважают эквадорцы своего соотечественника, принимавшего участие в миссии - Педро Винсенте Мальдонадо. В родном городе Мальдонадо Риабамбе ему поставлен памятник на главной площади. И это неудивительно, ведь Мальдонадо, как и других участников экспедиции, смело можно назвать крестным отцом страны. В 1830 г., когда Эквадор отделился от Большой Колумбии и стал самостоятельным государством, он получил свое имя именно в честь воображаемой полуденной линии - экватора. Митад-дель-Мундо не только отмечает место, где проходит экватор, но и является своеобразным монументом героизма людей просвещения.
Но буквально в нескольких сотнях метров от этого туристического центра расположен музей Солнца.
На самом деле, согласно последним данным географических исследований линия экватора проходит именно здесь. Ученые XVIII века немного ошиблись. Правда, надо отдать им должное - всего на несколько метров, что для науки о Земле не существенно. То, что там проведена истинная линия экватора, доказывается очень интересными экспериментами, которые повторить в полном объеме нигде нельзя, кроме как на истинном экваторе.
Мы часто с Вами наблюдали, как вытекает вода из раковины или ванной, и каждый раз с удовольствием смотрим, как она закручивается, образуя воронку. Вот такой эксперимент и проводят на экваторе. Только раковину ставят в разные места – один раз непосредственно на линии экватора, другой раз буквально в 2 метрах от нее, но в южном полушарии, а третий раз на расстоянии 2 метров от экватора, но уже в северном полушарии. И наблюдаются удивительные картины: на линии экватора вода выливается, вообще, не закручиваясь, в южном полушарии она закручивается по часовой стрелке, а в северном полушарии – против часовой стрелки.
Аналогичный эксперимент проводят в другом месте экватора – уже в Африке, в Уганде
Чем же это объяснить?
А объясняется это кориолисовой силой.
Что же это за сила такая?
Представьте, что кто-то, находясь на Северном полюсе, бросил мяч кому-то, кто находится на экваторе. Пока мяч летел, Земля немного повернулась вокруг своей оси, и ловящий успел сместиться к востоку. Если бросающий, целясь мячом, не учел этого движения Земли, мяч упал западнее (или левее) ловящего. С точки зрения человека на экваторе получается, что мяч летел левее, чем надо, с самого начала — как только его выпустил из рук бросающий, — и до тех пор, пока не приземлился.
(бросание мячика)
Согласно законам механики Ньютона, чтобы движущееся прямолинейно тело отклонилось от изначально заданной траектории, на него должна действовать какая-то внешняя сила. Значит, ловящий на экваторе должен сделать вывод, что брошенный мяч отклонился от прямолинейной траектории под действием некоей силы. Если бы мы смогли посмотреть на летящий мяч из космоса, мы бы увидели, что на самом деле никакая сила на мяч не действовала. Отклонение же траектории было вызвано тем, что Земля успела повернуться под мячом, пока он летел по прямой. Таким образом, действует в подобной ситуации какая-то сила или нет, — это целиком зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель.
И подобное явление неизбежно возникает, когда есть какая-нибудь вращающаяся система координат — например, Земля. Для описания этого явления физики часто используют выражение фиктивная сила, имея в виду, что сила «реально» отсутствует, просто наблюдателю во вращающейся системе отсчета кажется, что она действует (другой пример фиктивной силы — это центробежная сила). И противоречий здесь нет никаких, поскольку оба наблюдателя единодушны относительно реальной траектории полета мяча и уравнений, ее описывающих. Расходятся они лишь в терминах, которые они используют для описания этого движение.
Фиктивная сила, которая действует в приведенном выше примере, называется силой Кориолиса.
Силой Кориолиса называется сила инерции, связанная с неинерциальной системой отсчета, которая была описана французским инженером-математиком Густавом-Гаспаром Кориолисом в 1835 году. Кориолис показал, что при использовании традиционных ньютоновских законов движения тел во вращающихся системах отсчета уравнения движения должны быть дополнены специальной силой инерции, которая направлена вправо по отношению к перемещению тела, если вращение системы отсчета направлено против часовой стрелки, и влево в противном случае.
Действие силы Кориолиса проявляется в наблюдаемом отклонении пути тела, перемещающегося во вращающейся системе координат. Конечно, в действительности это не тело отклоняется от своего пути, а мы просто фиксируем результат движения системы координат.
Результат действия силы Кориолиса будет максимальным при продольном перемещении объекта по отношению к вращению. Следовательно, на Земле это будет при движении по меридиану, при этом тело отклоняется вправо при движении с севера на юг и влево при движении с юга на север. Для этого явления имеются две причины: первая, вращение Земли на восток; и вторая - зависимость от географической широты тангенциальной скорости точки на поверхности Земли (эта скорость равна нулю на полюсах и достигает своего максимального значения на экваторе). Таким образом, при выстреле пушки на север из любой точки на экваторе, снаряд падает восточнее своего первоначально заданного направления. Это отклонение объясняется тем фактом, что на экваторе снаряд двигается к востоку быстрее, чем в любой точке севернее. Аналогично, если стрелять со стороны северного полюса, то снаряд должен падать правее по отношению к своей прицельной точке. Так как в этом случае за время полета цель успевает переместиться к востоку дальше по причине своей большей, чем у снаряда, восточной скорости. Аналогичные смещения происходят при любом выстреле, если только первоначальная скорость снаряда имеет ненулевую проекцию на направление север - юг.
Следовательно, Кориолисово смещение есть результат движения объекта, вращения Земли и географической широты. По этой причине в ответе должны присутствовать удвоенный синус широты, скорость тела и угловая скорость вращения Земли. Точная формула довольно проста:
- результат векторного произведения частоты вращения Земли и скорости движения тела (вектор частоты вращения Земли направлен на полярную звезду).
Как известно, результатом векторного произведения является также вектор, численно равный площади параллелограмма, который образуется при совмещении начальных точек множителей, и перпендикулярный к плоскости параллелограмма по направлению. Причем направление считается положительным, если выбирается согласно правилу правого винта. Величина этой силы при небольших скоростях движения весьма мала. Достаточно сказать, что максимальное ускорение на поверхности Земли при скорости движения 1 м/с составит всего лишь 0,0231 мм/с. Однако сила Кориолиса имеет большое значение для астрофизики и звездной динамики, именно с помощью этой силой объясняется направление вращения солнечных пятен. Для земных наук она имеет также большое значение, особенно для метеорологии, геофизики и океанографии, потому любые движущиеся вблизи поверхности Земли объекты подвергаются ее действию. Так, например, сила Кориолиса вносит решающий вклад в динамику атмосферы, определяя направление и силу преобладающих ветров, и направление вращения циклонов, а в гидросфере направление океанских течений.
(закручивание водяных паров в атмосфере)
Изначально воздушные массы начинают прямолинейно устремляться из областей высокого атмосферного давления в области пониженного атмосферного давления, однако сила Кориолиса заставляет их закручиваться по спирали. (С тем же успехом можно утверждать, что воздушные потоки продолжают двигаться прямолинейно, но, поскольку Земля под ними поворачивается, нам, находящимся на поверхности планеты, кажется, что они движутся по спирали.) Вернемся к примеру с бросанием мяча с полюса к экватору. Нетрудно понять, что в Северном и Южном полушариях сила Кориолиса действует на движущееся тело в прямо противоположных направлениях. Именно поэтому в Северном полушарии вихри циклонов кажутся закрученными против часовой стрелки, а в Южном — по часовой стрелке.
Отсюда происходит бытующее в народе убеждение, что вода в канализационных отверстиях ванн и раковин в двух полушариях вращается в противоположных направлениях, — якобы это обусловлено эффектом Кориолиса.
На самом же деле, хотя и верно, что сила Кориолиса действует противоположно в двух полушариях, направление закручивания воды в сливной воронке лишь отчасти определяется этим эффектом. Дело в том, что вода долгое время течет по водопроводным трубам, при этом в потоке воды образуются течения, которые, хоть их и трудно увидеть простым глазом, продолжают закручивать струю воды и тогда, когда она льется в раковину. Кроме того, когда вода уходит в сливное отверстие, могут создаваться похожие течения. Именно они определяют направление движения воды в воронке, поскольку силы Кориолиса оказываются гораздо слабее этих течений. В обычной жизни направление закручивания воды в сливной воронке в Северном и Южном полушариях больше зависит от конфигурации канализационной системы, чем от действия природных сил.
Однако все-таки нашлась группа экспериментаторов, которой хватило терпения повторить этот опыт в «чистых» условиях. Они взяли раковину симметричной формы (лучше круглую), устранили канализационные трубы, позволив воде проходить сквозь сливное отверстие свободно, оборудовали сливное отверстие заслонкой, которая открывалась лишь после того, как в воде успокаивались любые остаточные токи, — и увидели-таки эффект Кориолиса в действии! Несколько раз им даже удалось увидеть, как вода сначала под слабым внешним воздействием закручивалась в одну сторону, а затем силы Кориолиса брали верх, и направление спирали менялось на противоположное! В Северном полушарии такая воронка будет закручиваться против часовой стрелки, а в Южном - по часовой.
Этим же эффектом объясняется подмывание берегов рек: в Северном полушарии подмывается правый берег реки, а в Южном – левый.
Комментариев нет:
Отправить комментарий