Lực Coriolis là một pháp thuật giả hoạt động trong tất cả các khung quay. Một cách để hình dung nó là tưởng tượng một bệ quay [chẳng hạn như một chiếc đu quay hoặc bàn quay đĩa hát] với bề mặt hoàn toàn nhẵn và một khối nhẵn trượt theo quán tính trên nó. Khối không có lực [thực] nào tác dụng lên nó, chuyển động theo đường thẳng với tốc độ không đổi trong không gian quán tính . Tuy nhiên, nền tảng quay theo nó, do đó đối với một người quan sát trên nền tảng, khối dường như đi theo một quỹ đạo cong, uốn cong theo hướng ngược lại với chuyển động của nền tảng. Vì chuyển động cong, và do đó được gia tốc, nên đối với người quan sát, dường như có một lực tác động. Pháp thuật giả đó được gọi là lực lượng Coriolis.
Lực Coriolis cũng có thể được quan sát thấy trên bề mặt Trái đất. Ví dụ, nhiều viện bảo tàng khoa học có một con lắc, được gọi làCon lắc Foucault , được treo trên một sợi cáp dài có đánh dấu để chứng tỏ mặt phẳng chuyển động của nó quay chậm dần đều. Chuyển động quay của mặt phẳng chuyển động là do lực Coriolis gây ra. Hiệu ứng này có thể dễ dàng hình dung nhất bằng cách hình dung con lắc đang dao động ngay trên Bắc Cực . Mặt phẳng chuyển động của nó vẫn đứng yên trong không gian quán tính, trong khi Trái đất quay mỗi ngày một lần bên dưới nó.
Ở các vĩ độ thấp hơn, hiệu ứng này tinh tế hơn một chút, nhưng nó vẫn hiện diện. Hãy tưởng tượng rằng, một nơi nào đó ở Bắc bán cầu, mộtđạn được bắn về phía nam. Khi nhìn từ không gian quán tính, quả đạn ban đầu có thành phần vận tốc theo hướng đôngcũng như một thành phần hướng nam vì khẩu súng bắn nó, vốn đang đứng yên trên bề mặt Trái đất, đang di chuyển về phía đông cùng với chuyển động quay của Trái đất tại thời điểm nó được bắn. Tuy nhiên, vì nó được bắn về phía nam, nó hạ cánh ở vĩ độ thấp hơn một chút, gần Xích đạo hơn. Khi người ta di chuyển về phía nam, về phía Xích đạo, tốc độ tiếp tuyến của bề mặt Trái đất do chuyển động quay của nó tăng lên vì bề mặt ở xa trục quay hơn. Do đó, mặc dù quả đạn có thành phần vận tốc theo hướng đông [trong không gian quán tính], nhưng nó lại hạ cánh tại một nơi mà bề mặt Trái đất có thành phần vận tốc hướng đông lớn hơn. Do đó, đối với người quan sát trên Trái đất, đường đạn dường như hơi cong về phía tây. Đường cong về phía tây đó là do lực Coriolis. Nếu đường đạn được bắn về phía bắc, nó dường như sẽ cong về phía đông.
Phân tích tương tự được áp dụng cho con lắc Foucault giải thích tại sao mặt phẳng chuyển động của nó có xu hướng quay theo chiều kim đồng hồ ở bất kỳ nơi nào ở Bắc bán cầu và ngược chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu. Bão, được gọi làlốc xoáy , có xu hướng quay ngược chiều ở mỗi bán cầu, cũng do lực Coriolis. Không khí chuyển động theo mọi hướng về tâm áp suất thấp. Ở Bắc bán cầu, không khí di chuyển lên từ phía nam bị lệch về phía đông, trong khi không khí di chuyển xuống từ phía bắc bị lệch về phía tây. Hiệu ứng này có xu hướng làm cho xoáy thuận lưu thông ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu. Ở Nam bán cầu, lốc xoáy có xu hướng lưu thông theo chiều kim đồng hồ.
[trên cùng] cho thấy một bánh xe có trọng lượng trong vành của nó để đạt được mômen quán tính I cực đại và nó đang quay với tần số góc ω trên một trục nằm ngang được đỡ ở hai đầu. Như hình vẽ , nó có momen động lượng L dọc theo phương x bằng Iω . Bây giờ, giả sử hỗ trợ tại điểm P bị loại bỏ, chỉ để lại trục được hỗ trợ ở một đầu [ , giữa]. Trọng lực, tác động lênkhối lượng của bánh xe như thể tập trung ở tâm khối lượng thì tác dụng một lực hướng xuống của bánh xe. Bánh xe, tuy nhiên, không rơi. Thay vào đó, trục vẫn [gần] nằm ngang nhưng quay theo hướng ngược chiều kim đồng hồ khi nhìn từ trên xuống [ , dưới cùng]. Chuyển động này được gọi làtuế sai con quay hồi chuyển .
Hình 23: Tuế sai con quay hồi chuyển.
Encyclopædia Britannica, Inc.Tuế sai theo phương ngang xảy ra trong trường hợp này vì lực hấp dẫn dẫn đến momen đối với điểm treo sao cho τ = r × F và ban đầu hướng theo chiều dương y . Mômen xoắn gây rađộng lượng góc L để chuyển động về phía đó theo τ = d L / dt . Vì τ vuông góc với L nên không làm thay đổi độ lớn của momen động lượng mà chỉ có hướng. Khi tiến hành tuế sai, mômen quay vẫn nằm ngang và vectơ mômen động lượng , liên tục được chuyển hướng bởi mômen quay, thực hiện chuyển động tròn đều trong mặt phẳng nằm ngang với tần số Ω, tần số của tuế sai.
Trong thực tế, chuyển động phức tạp hơn một chút so với tuế sai đồng nhất trong mặt phẳng nằm ngang. Khi hỗ trợ tại P được giải phóng,khối tâm của bánh xe ban đầu hạ xuống một chút so với mặt phẳng nằm ngang. Sự sụt giảm này làm giảmthế năng hấp dẫn của hệ, giải phóngđộng năng cho quỹ đạo chuyển động của khối tâm khi nó tịnh tiến. Nó cũng cung cấp một thành phần nhỏ của L theo hướng z âm , cân bằng momen động lượng theo hướng z dương là kết quả của chuyển động quỹ đạo của khối tâm. Không thể có momen động lượng thực theo phương thẳng đứng vì không có thành phần của momen lực theo phương đó.
Một sự phức tạp nữa: sự sụt giảm ban đầu của khối tâm đưa nó đi quá xa so với mặt phẳng tuế sai ổn định, và nó có xu hướng bật trở lại sau khi chụp quá mức. Điều này tạo ra một dao động lên và xuống trong quá trình tuế sai, được gọi lànutation [“gật đầu”]. Trong hầu hết các trường hợp, đai ốc nhanh chóng bị giảm độ ẩm do ma sát trong vòng bi, để lại tuế sai đồng đều.
Quay vòng top trải qua tất cả các chuyển động được mô tả ở trên. Nếu ban đầu nó được đặt quay với trục thẳng đứng, sẽ hầu như không có mômen quay, và sự bảo toàn mômen động lượng sẽ giữ trục thẳng đứng trong một thời gian dài. Tuy nhiên, cuối cùng, ma sát tại điểm tiếp xúc sẽ yêu cầu khối tâm hạ thấp chính nó, điều này chỉ có thể xảy ra nếu trục nghiêng. Việc quay cũng sẽ chậm lại, giúp quá trình nghiêng dễ dàng hơn. Khi đỉnh nghiêng, trọng lực tạo ra một mô-men xoắn ngang dẫn đến trục quay. Chuyển động tiếp theo phụ thuộc vào việc điểm tiếp xúc là cố định hay trượt tự do trên mặt phẳng ngang. Nhiều chủ đề đã được viết trên các chuyển động của ngọn.
A Con quay hồi chuyển là một thiết bị được thiết kế để chống lại những thay đổi theo hướng trục quay của nó. Mục đích đó thường được thực hiện bằng cách tối đa hóa mômen quán tính của nó đối với trục quay và bằng cách quay nó ở tần số thực tế lớn nhất. Mỗi sự cân nhắc này đều có tác dụng tối đa hóa độ lớn của mômen động lượng, do đó cần mômen xoắn lớn hơn để thay đổi hướng của nó. Nói chung đúng là momen xoắn τ , momen động lượng L và tần số tuế sai Ω [được định nghĩa là vectơ dọc theo trục tuế sai theo hướng cho bởi quy tắc bàn tay phải] liên quan với nhau bởi
Phương trình [ ], được minh họa trong , được gọi làphương trình con quay hồi chuyển .
Con quay hồi chuyển được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, bao gồm chuyển hướng . Sử dụng con quay hồi chuyển cho mục đích này được gọi làhướng dẫn quán tính . Con quay hồi chuyển được treo gần nhất có thể tại tâm khối lượng của nó, để trọng lực không tác dụng mômen xoắn khiến nó quay trước. Do đó, con quay hồi chuyển có xu hướng chỉ theo một hướng không đổi trong không gian, cho phép duy trì chính xác hướng của xe.
Một ứng dụng khác của nguyên tắc con quay hồi chuyển có thể được thấy trong tuế sai của các điểm phân . Trái đất là một loại con quay hồi chuyển, quay trên trục của nó một lần mỗi ngày. Mặt trời sẽ không tác dụng mô-men xoắn nào lên Trái đất nếu Trái đất là hình cầu hoàn hảo, nhưng không phải vậy. Trái đấtphình ra một chút ở Xích đạo. Như được chỉ ra trong , tác động của lực hấp dẫn của Mặt trời lên phần phình ra gần [lớn hơn lực hấp dẫn của nó lên phần phình ra ở xa] dẫn đến một mômen xoắn thực về tâm Trái đất. Khi Trái đất ở phía bên kia của Mặt trời, mô-men xoắn thực vẫn có cùng hướng. Mômen xoắn nhỏ nhưng bền bỉ. Nó khiến trục Trái đất quay trước, cứ 25.800 năm lại có một vòng quay.
Hình 25: Các lực tác động lên các chỗ phình ra ở xích đạo ở [A] vào mùa hè và [B] vào mùa đông khiến trục Trái đất quay trước [xem văn bản].
Encyclopædia Britannica, Inc.Khi nhìn từ Trái đất, Mặt trời đi qua mặt phẳng của Xích đạo hai lần mỗi năm. Những điểm này được gọi là điểm phân, và vào những ngày điểm phân, số giờ ban ngày và ban đêm bằng nhau. Từ xa xưa, người ta đã biết rằng điểm trên bầu trời nơi Mặt trời giao với mặt phẳng Xích đạo không giống nhau mỗi năm mà trôi rất chậm về phía tây. Sự quan sát cổ xưa này, được Newton giải thích lần đầu, là do trục của Trái đất tuế sai. Nó được gọi là tuế sai của các điểm phân.