nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng coriolis lên 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:
 
r
vmF





2
(1.1)
Với.
r
v

: 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 v
0
(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
c
w

hướng theo phía đông, còn lực
Coriolis
c
F

sẽ hướng sang phía tây(hình 2.1).
Khi chất điểm chuyển động theo chiều từ Nam lên Bắc thì
gia tốc
c
w

hướng theo phía tây, còn lực
c
F

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
c
w

sẽ hướng dọc theo bán kính
MC của vĩ tuyến (hình 2.3) còn
lực
c
F

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 phí a đông . Chuyển động ở Nam bán cầu sẽ bị
kéo lệch sang phí a tây.





0
V


c
F


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
c
F

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 xó i mò n bờ củ a cá c 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:
v
e
=

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 R
φ

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


Tây
Hình 2.5
Đông
c
F


O
y
M
c
F


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.