この実験について
摩擦のない回転するメリーゴーラウンドの上で、ホッケーのパックを滑らせてみましょう。上から見ると、パックは完全にまっすぐ進みますが、その下では円盤が回転しているため、円盤に乗っている人には、パックが狙った方向からそれて曲がっていくように見えます。地球も巨大な回転する円盤です。遠くまで移動する風や海流は、北半球では右に、南半球では左に曲げられます。同じ投げ方を二つの視点から比べてみましょう。その後、地球に移り、緯度によって空気を押したときにどれほど曲がるかを確かめます。
学習目標
- コリオリ効果とは、回転する基準系から見たときに生じる見かけ上の偏向であることを説明する
- 北半球と南半球での偏向の向きを予測しましょう
- 極付近で効果が最も強く、赤道では見られない理由を説明しましょう
- コリオリパラメータ f = 2Ω sin φ を使って、慣性円の大きさを見積もりましょう
- コリオリ効果を、大型の嵐の回転や地球規模の風帯と関連づけましょう
使い方
- 1デフォルト設定で「投げる」を押してください。2つのビューで軌道を比較しましょう。どちらが直線ですか？
- 2外側から見たビューで、点線の照準線を観察してください。パックが縁に到達したとき、標的はどこにありますか？
- 3回転速度を2倍にしてから、投げる速度を半分にしてください。どの変更によって、パックは照準より遠くに着地しますか？
- 4「時計回りに回転」をオンにしてください。乗り手から見ると、パックは今どちら向きに曲がりますか？
- 5「地球上」に切り替えてください。北緯45°で空気を押し、1周する間観察しましょう。次に10°、0°、-45°でも試してください。
- 6北緯45°で風速を2倍にしてください。円の大きさと、かかる時間はどうなりますか？
モデル
前提条件
- パックは摩擦なしで滑り、跳ねません。縁に達すると円盤から離れます。
- 投げる人は円盤とともに動いているため、パックは投げ出された地点の横向きの速さを持って出発します。
- 地球上では、空気は一度押された後、圧力差や摩擦などの力を受けないため、ある緯度の周りの小さな平坦な領域で慣性円運動をします。
- 円の範囲で緯度によって f が変化することは無視し、回転による遠心効果は重力の一部として扱います。
授業で試してみましょう
- Q1円盤に乗っている人にはパックが横向きの力で押されているように感じられる一方、上から見ている人には横向きの力が働いていないように見えるのはなぜでしょうか？
- Q2コリオリ効果によって動く空気が右に曲げられるのに、なぜ北半球のハリケーンは反時計回りに回転するのでしょうか？
- Q3ハリケーンはなぜ赤道から約5°以内ではほとんど発生しないのでしょうか？
- Q4幅が約0.5 mのシンクが、20秒で水を排出します。f = 2Ω sin φを使って、コリオリ効果では排水の向きが決まらない理由を説明してください。
- Q5長距離砲やミサイルはコリオリ効果を考慮しなければなりませんが、サッカーボールではその必要がありません。なぜでしょうか？
よくある質問
コリオリ力は実在する力ですか？
コリオリ力は見かけの力、または慣性力と呼ばれます。パックを横向きに押すものは何もありません。円盤や地球のような回転座標系から運動を記述するときにだけ現れ、その座標系で運動の法則を成り立たせるために必要となります。
コリオリ効果によって、トイレの水は半球ごとに反対向きに流れるのでしょうか？
いいえ。シンクやトイレの水に働くコリオリ加速度は、ボウルの形や水の注ぎ方など、ほかの影響に比べて何百万分の一ほどしかありません。影響するのは、気象システムや海流のように、広い範囲を移動する場合や長時間にわたる場合だけです。
偏向が緯度によって変わるのはなぜですか？
地球の自転のうち、局所的な鉛直軸まわりの成分だけが水平方向の運動を曲げます。極では地面は鉛直軸を中心に完全に回転しますが、赤道では鉛直軸まわりにはまったく回転しません。そのため、f = 2Ω sin φ は最大値からゼロまで変化します。