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Die Wirkung der Coriolis-Kraft

Storyboard

Immer wenn ein Objekt sich in einer geraden Linie mit konstanter Geschwindigkeit aus einem rotierenden Bezugssystem bewegt (wie etwa der Oberfläche der Erde), erscheint es, als ob es eine gekrümmte Bewegung ausführt. Dieses Phänomen kann durch Einführung einer fiktiven Kraft namens Corioliskraft modelliert werden. Diese Kraft hilft uns, verschiedene Bewegungen zu verstehen, die im Ozean und in der Atmosphäre beobachtet werden.

>Modell

ID:(1521, 0)



Mechanismen

Iframe

>Top



Code
Konzept
Argument des Coriolis-Gesetzes
Bildung eines Antizyklons
Der Effekt der scheinbaren Abweichung kann beobachtet werden
Lokales Überweisungssystem
Objekt in Richtung Äquator geworfen
Problem mit dem rotierenden System
Zyklonbildung

Mechanismen

Argument des Coriolis-GesetzesBildung eines AntizyklonsDer Effekt der scheinbaren Abweichung kann beobachtet werdenLokales ÜberweisungssystemObjekt in Richtung Äquator geworfenProblem mit dem rotierenden SystemZyklonbildung

ID:(15447, 0)



Problem mit dem rotierenden System

Video

>Top


Im Video ist zu beobachten, wie sich ein Objekt scheinbar auf einem gekrümmten Pfad bewegt, wenn es aus einem rotierenden System betrachtet wird. Aus einem nicht rotierenden Bezugssystem erscheint seine Bewegung jedoch geradlinig und mit konstanter Geschwindigkeit.

Um die Bewegung eines Objekts zu beschreiben, das sich in einem rotierenden System geradlinig bewegt, wird ein fiktive Kraft eingeführt, die als Corioliskraft bezeichnet wird. Diese Kraft erklärt die beobachtete Bewegung und ist wesentlich für das Verständnis verschiedener Phänomene, die in rotierenden Systemen auftreten, wie zum Beispiel Meeresströmungen und atmosphärische Zirkulationsmuster.

ID:(11671, 0)



Lokales Überweisungssystem

Konzept

>Top


Es wird ein lokales Referenzsystem festgelegt, in dem definiert ist:

• die z-Achse zeigt nach oben
• die y-Achse zeigt nach Norden
• die x-Achse zeigt nach Osten

Daher liegt der Vektor der Winkelgeschwindigkeit des Planeten in der yz-Ebene unter einem Winkel, der der Breite des Ortes entspricht:

ID:(11672, 0)



Der Effekt der scheinbaren Abweichung kann beobachtet werden

Konzept

>Top


Der Effekt der scheinbaren Abweichung lässt sich besonders gut an der Oberfläche der Erde beobachten. Wenn ein Objekt vom Äquator aus gestartet wird und in höhere Breitengrade vordringt, scheint es sich "vorwärts" zu bewegen, da die Tangentialgeschwindigkeit in höheren Breitengraden geringer ist als am Äquator.

ID:(11673, 0)



Objekt in Richtung Äquator geworfen

Konzept

>Top


Wenn ein Objekt von einem Ort weit entfernt vom Äquator nach Osten gestartet wird, wird beobachtet, dass sich der Körper aufgrund seiner geringeren Tangentialgeschwindigkeit im Vergleich zu Breitengraden in der Nähe des Äquators zurückbleibt.

ID:(11674, 0)



Zyklonbildung

Konzept

>Top


Wenn sich das strömende Medium von einem Punkt aus bewegt, wie beispielsweise Luft mit hohem Druck, werden die Strömungen verzögert oder beschleunigt, je nachdem, ob sie sich zum Äquator oder zum Pol hin bewegen. Dies führt zur Bildung eines Systems, das sich gegen den Uhrzeigersinn im nördlichen Hemisphäre dreht und das bildet, was als Zyklon bekannt ist.

ID:(11669, 0)



Bildung eines Antizyklons

Konzept

>Top


Wenn das Medium, das sich bewegt, in Richtung eines Punktes strömt (zum Beispiel in der Luft, von einem Tiefdruckgebiet), werden die Strömungen je nachdem, ob sie vom Äquator oder vom Pol kommen, entweder vorverlegt oder verzögert. Dies führt zur Bildung eines Systems, das sich in positiver Richtung dreht (in der Nordhalbkugel), was zu dem führt, was als Antizyklon bekannt ist.

ID:(11675, 0)



Argument des Coriolis-Gesetzes

Konzept

>Top


Wenn wir nur das betrachten, was in der Ebene passiert, werden wir feststellen, dass wir jedes Mal, wenn wir uns in eine bestimmte Richtung bewegen, eine senkrechte Beschleunigung in positiver Richtung erfahren. Die Größe dieser Beschleunigung nimmt mit der Breitengrad zu und ist am Äquator Null. Außerhalb davon ist sie proportional zur Winkelgeschwindigkeit, was bedeutet, dass es keinen Corioliseffekt gäbe, wenn sich das Bezugssystem nicht drehen würde.

ID:(11692, 0)



Modell

Top

>Top



Parameter

Symbol
Text
Variable
Wert
Einheiten
Berechnen
MKS-Wert
MKS-Einheiten
\varphi
phi
Breitengrad
rad
f
f
Coriolis-Faktor
rad/s
\omega
omega
Winkelgeschwindigkeit des Planeten
rad/s

Variablen

Symbol
Text
Variable
Wert
Einheiten
Berechnen
MKS-Wert
MKS-Einheiten
\vec{a}_c
&a_c
Coriolis-Beschleunigung
m/s^2
a_{s,x}
a_sx
Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in x-Richtung
m/s^2
a_{s,y}
a_sy
Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in y-Richtung
m/s^2
a_{s,z}
a_sz
Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in z-Richtung
m/s^2
a_{c,x}
a_cx
Coriolis-Beschleunigung in x-Richtung
m/s^2
a_{c,y}
a_cy
Coriolis-Beschleunigung in y-Richtung
m/s^2
a_{c,z}
a_cz
Coriolis-Beschleunigung in z-Richtung
m/s^2
v_x
v_x
Geschwindigkeit x des Objekt
m/s
v_y
v_y
Geschwindigkeit y des Objekt
m/s
v_z
v_z
Geschwindigkeit z des Objekt
m/s
\vec{v}
&v
Körpergeschwindigkeit
m/s
\vec{\omega}
&omega
Winkelgeschwindigkeit
rad/s
e
e
Zweiter Coriolis-Faktor
rad/s

Berechnungen


Zuerst die Gleichung auswählen: zu , dann die Variable auswählen: zu
a_c =-2* omega x v a_cx =2* omega *( v_y *sin( phi )- v_z *cos( phi )) a_cy =-2* omega * v_x *sin( phi ) a_cz =-2* omega * v_x * cos( phi ) a_sx = f * v_y a_sy = - f * v_x a_sz = e * v_x e = 2* omega * cos( phi ) f = 2* omega * sin( phi )phi&a_ca_sxa_sya_sza_cxa_cya_czfv_xv_yv_z&v&omegaomegae

Berechnungen

Symbol
Gleichung
Gelöst
Übersetzt

Berechnungen

Symbol
Gleichung
Gelöst
Übersetzt

Variable Gegeben Berechnen Ziel : Gleichung Zu verwenden
a_c =-2* omega x v a_cx =2* omega *( v_y *sin( phi )- v_z *cos( phi )) a_cy =-2* omega * v_x *sin( phi ) a_cz =-2* omega * v_x * cos( phi ) a_sx = f * v_y a_sy = - f * v_x a_sz = e * v_x e = 2* omega * cos( phi ) f = 2* omega * sin( phi )phi&a_ca_sxa_sya_sza_cxa_cya_czfv_xv_yv_z&v&omegaomegae




Gleichungen

#
Gleichung

\vec{a}_c =-2 \vec{\omega} \times \vec{v}

a_c =-2* omega x v


a_{c,x} = 2 \omega ( v_y \sin \varphi - v_z \cos \varphi )

a_cx =2* omega *( v_y *sin( phi )- v_z *cos( phi ))


a_{c,y} = -2 \omega v_x \sin \varphi

a_cy =-2* omega * v_x *sin( phi )


a_{c,z} = 2 \omega v_x \cos \varphi

a_cz =-2* omega * v_x * cos( phi )


a_{s,x} = f v_y

a_sx = f * v_y


a_{s,y} = - f v_x

a_sy = - f * v_x


a_{s,z} = e v_x

a_sz = e * v_x


e = 2 \omega \cos \varphi

e = 2* omega * cos( phi )


f = 2 \omega \sin \varphi

f = 2* omega * sin( phi )

ID:(15436, 0)



Coriolis-Gesetz

Gleichung

>Top, >Modell


Die Coriolis-Beschleunigung erklärt, wie ein Objekt durch die Rotation des Bezugssystems von seinem Kurs abweicht.

Es ist wichtig zu verstehen, dass die 'Kraft', 'Beschleunigung' oder 'Effekt' von Coriolis ein mathematischer 'Trick' ist, um zu berechnen, wie sich ein Körper verhält, wenn er aus einem rotierenden System betrachtet wird. Die Gleichung, die diesen Effekt am besten modelliert, ist die Coriolis-Beschleunigung (\vec{a}_c) mit die Winkelgeschwindigkeit (\vec{\omega}) und die Körpergeschwindigkeit (\vec{v}):

\vec{a}_c =-2 \vec{\omega} \times \vec{v}

\vec{a}_c
Coriolis-Beschleunigung
m/s^2
8763
\vec{v}
Körpergeschwindigkeit
m/s
8764
\vec{\omega}
Winkelgeschwindigkeit
rad/s
9893

ID:(11693, 0)



Coriolis-Beschleunigung, x-Koordinate

Gleichung

>Top, >Modell


Die Coriolis-Beschleunigung (\vec{a}_c) ist mit die Winkelgeschwindigkeit (\vec{\omega}) und die Körpergeschwindigkeit (\vec{v}):

\vec{a}_c =-2 \vec{\omega} \times \vec{v}



Daher ist mit die Coriolis-Beschleunigung in x-Richtung (a_{c,x}) neben die Winkelgeschwindigkeit des Planeten (\omega), die Geschwindigkeit y des Objekt (v_y), die Geschwindigkeit z des Objekt (v_z) und die Breitengrad (\varphi) die x-Komponente.

a_{c,x} = 2 \omega ( v_y \sin \varphi - v_z \cos \varphi )

\phi
Breitengrad
rad
8596
a_{c,x}
Coriolis-Beschleunigung in x-Richtung
m/s^2
8597
v_y
Geschwindigkeit y des Objekt
m/s
8513
v_z
Geschwindigkeit z des Objekt
m/s
8594
\omega
Winkelgeschwindigkeit des Planeten
rad/s
8595

Auf der Erdoberfläche zeigt ihre Achse nach Norden und bildet mit der Ebene einen Winkel von die Breitengrad (\varphi). Deshalb ist die Winkelgeschwindigkeit (\vec{\omega}) gleich:

\vec{\omega}=(0,\omega\cos\varphi,\omega\sin\varphi)



Und da die Körpergeschwindigkeit (\vec{v}) lautet:

\vec{v}=(v_x,v_y,v_z)



die Definition von die Coriolis-Beschleunigung (\vec{a}_c):

\vec{a}_c =-2 \vec{\omega} \times \vec{v}



ergibt die x-Komponente gleich:

a_{c,x} = 2 \omega ( v_y \sin \varphi - v_z \cos \varphi )

ID:(11694, 0)



Coriolis-Beschleunigung, y-Koordinate

Gleichung

>Top, >Modell


Die Coriolis-Beschleunigung (\vec{a}_c) ist verbunden mit die Winkelgeschwindigkeit (\vec{\omega}) und die Körpergeschwindigkeit (\vec{v}):

\vec{a}_c =-2 \vec{\omega} \times \vec{v}



Dann ist mit die Coriolis-Beschleunigung in y-Richtung (a_{c,y}) neben die Winkelgeschwindigkeit des Planeten (\omega), die Geschwindigkeit x des Objekt (v_x) und die Breitengrad (\varphi) die y-Komponente:

a_{c,y} = -2 \omega v_x \sin \varphi

\phi
Breitengrad
rad
8596
a_{c,y}
Coriolis-Beschleunigung in y-Richtung
m/s^2
8598
v_x
Geschwindigkeit x des Objekt
m/s
8512
\omega
Winkelgeschwindigkeit des Planeten
rad/s
8595

Auf der Erdoberfläche zeigt ihre Achse nach Norden und bildet mit der Ebene einen Winkel von die Breitengrad (\varphi). Deshalb ist die Winkelgeschwindigkeit (\vec{\omega}) gleich:

\vec{\omega}=(0,\omega\cos\varphi,\omega\sin\varphi)



Und da die Körpergeschwindigkeit (\vec{v}) lautet:

\vec{v}=(v_x,v_y,v_z)



die Definition von die Coriolis-Beschleunigung (\vec{a}_c):

\vec{a}_c =-2 \vec{\omega} \times \vec{v}



ergibt die y-Komponente gleich:

a_{c,y} = -2 \omega v_x \sin \varphi

ID:(11695, 0)



Coriolis-Beschleunigung, z-Koordinate

Gleichung

>Top, >Modell


Die Coriolis-Beschleunigung (\vec{a}_c) ist verbunden mit die Winkelgeschwindigkeit (\vec{\omega}) und die Körpergeschwindigkeit (\vec{v}):

\vec{a}_c =-2 \vec{\omega} \times \vec{v}



Dann ist mit die Coriolis-Beschleunigung in z-Richtung (a_{c,z}) neben die Winkelgeschwindigkeit des Planeten (\omega), die Geschwindigkeit x des Objekt (v_x) und die Breitengrad (\varphi) die y-Komponente:

a_{c,z} = 2 \omega v_x \cos \varphi

\phi
Breitengrad
rad
8596
a_{c,z}
Coriolis-Beschleunigung in z-Richtung
m/s^2
8599
v_x
Geschwindigkeit x des Objekt
m/s
8512
\omega
Winkelgeschwindigkeit des Planeten
rad/s
8595

Auf der Erdoberfläche zeigt ihre Achse nach Norden und bildet mit der Ebene einen Winkel von die Breitengrad (\varphi). Deshalb ist die Winkelgeschwindigkeit (\vec{\omega}) gleich:

\vec{\omega}=(0,\omega\cos\varphi,\omega\sin\varphi)



Und da die Körpergeschwindigkeit (\vec{v}) lautet:

\vec{v}=(v_x,v_y,v_z)



die Definition von die Coriolis-Beschleunigung (\vec{a}_c):

\vec{a}_c =-2 \vec{\omega} \times \vec{v}



ergibt die z-Komponente gleich:

a_{c,z} = 2 \omega v_x \cos \varphi

ID:(11696, 0)



Coriolis-Faktor

Gleichung

>Top, >Modell


Um die Gleichungen zu vereinfachen, arbeiten wir mit ein Coriolis-Faktor (f), was eine Konstante für den physischen Ort ist, da es die Winkelgeschwindigkeit des Planeten (\omega) für die Erde und die Breitengrad (\varphi) für den Ort einschließt:

f = 2 \omega \sin \varphi

\phi
Breitengrad
rad
8596
f
Coriolis-Faktor
rad/s
8600
\omega
Winkelgeschwindigkeit des Planeten
rad/s
8595



Im südlichen Hemisphäre ist die Breitengrade negativ, und damit 8600, was erklärt, warum Systeme sich in die entgegengesetzte Richtung zum nördlichen Hemisphäre drehen.

ID:(11697, 0)



Zweiter Coriolis-Faktor

Gleichung

>Top, >Modell


Um die Gleichungen zu vereinfachen, arbeiten wir mit ein Zweiter Coriolis-Faktor (e), was eine Konstante für den physischen Ort ist, da es die Winkelgeschwindigkeit des Planeten (\omega) für die Erde und die Breitengrad (\varphi) für den Ort einschließt:

e = 2 \omega \cos \varphi

\varphi
Breitengrad
rad
8596
\omega
Winkelgeschwindigkeit des Planeten
rad/s
8595
e
Zweiter Coriolis-Faktor
rad/s
10273

ID:(15450, 0)



Coriolis-Beschleunigung in der Ebene, x-Koordinate

Gleichung

>Top, >Modell


Da sich die Coriolis-Beschleunigung in x-Richtung (a_{c,x}) mit der Coriolis-Faktor (f) umschreiben lässt und unter der Bedingung, dass es keine vertikale Bewegung gibt:

v_z = 0



ergibt sich, dass die Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in x-Richtung (a_{s,x}) lautet:

a_{s,x} = f v_y

a_{s,x}
Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in x-Richtung
m/s^2
8601
f
Coriolis-Faktor
rad/s
8600
v_y
Geschwindigkeit y des Objekt
m/s
8513

Da die Coriolis-Beschleunigung in x-Richtung (a_{c,x}) aus die Winkelgeschwindigkeit des Planeten (\omega), die Breitengrad (\varphi), die Geschwindigkeit y des Objekt (v_y) und die Geschwindigkeit z des Objekt (v_z) besteht:

a_{c,x} = 2 \omega ( v_y \sin \varphi - v_z \cos \varphi )



und die Definition von der Coriolis-Faktor (f) lautet:

f = 2 \omega \sin \varphi



zusätzlich zur Einschränkung der Bewegung auf der Oberfläche, wo:

v_z = 0



ergibt sich, dass die Coriolis-Beschleunigung in x-Richtung (a_{c,x}) ist:

a_{s,x} = f v_y

ID:(11698, 0)



Coriolis-Beschleunigung in der Ebene, y-Koordinate

Gleichung

>Top, >Modell


Da sich die Coriolis-Beschleunigung in x-Richtung (a_{c,x}) unter der Bedingung, dass keine vertikale Bewegung vorhanden ist, mit der Coriolis-Faktor (f) umschreiben lässt:

v_z = 0



Folglich ergibt sich, dass die Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in y-Richtung (a_{s,y}) ist:

a_{s,y} = - f v_x

a_{s,y}
Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in y-Richtung
m/s^2
8602
f
Coriolis-Faktor
rad/s
8600
v_x
Geschwindigkeit x des Objekt
m/s
8512

Da die Coriolis-Beschleunigung in y-Richtung (a_{c,y}) aus die Winkelgeschwindigkeit des Planeten (\omega), die Geschwindigkeit x des Objekt (v_x) und die Breitengrad (\varphi) besteht:

a_{c,y} = -2 \omega v_x \sin \varphi



und die Definition von der Coriolis-Faktor (f) lautet:

f = 2 \omega \sin \varphi



zusätzlich zur Einschränkung der Bewegung auf der Oberfläche, wo gilt:

v_z = 0



führt dies dazu, dass die Coriolis-Beschleunigung in y-Richtung (a_{c,y}) folgendermaßen ist:

a_{s,y} = - f v_x

ID:(11699, 0)



Coriolis-Beschleunigung in der Ebene, z-Koordinate

Gleichung

>Top, >Modell


Da sich die Coriolis-Beschleunigung in z-Richtung (a_{c,z}) unter der Bedingung, dass keine vertikale Bewegung vorhanden ist, mit der Zweiter Coriolis-Faktor (e) umschreiben lässt:

v_z = 0



Folglich ergibt sich, dass die Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in z-Richtung (a_{s,z}) ist:

a_{s,z} = e v_x

a_{s,z}
Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in z-Richtung
m/s^2
10274
v_x
Geschwindigkeit x des Objekt
m/s
8512
e
Zweiter Coriolis-Faktor
rad/s
10273

Da die Coriolis-Beschleunigung in y-Richtung (a_{c,y}) aus die Winkelgeschwindigkeit des Planeten (\omega), die Geschwindigkeit x des Objekt (v_x) und die Breitengrad (\varphi) besteht:

a_{c,y} = -2 \omega v_x \sin \varphi



und die Definition von der Zweiter Coriolis-Faktor (e) lautet:

e = 2 \omega \cos \varphi



zusätzlich zur Einschränkung der Bewegung auf der Oberfläche, wo gilt:

v_z = 0



führt dies dazu, dass die Coriolis-Beschleunigung an der Oberfläche in z-Richtung (a_{s,z}) folgendermaßen ist:

a_{s,z} = e v_x

ID:(15451, 0)