EssayAI
Блог
Блог
Естественные науки

Теорема о сложении ускорений: ускорение Кориолиса

11 июня 2026Время чтения: 8 минут
#теорема о сложении ускорений#ускорение кориолиса#сложное движение точки#переносное ускорение#теоретическая механика

Когда точка движется одновременно в двух системах отсчёта - например скользит по пазу вращающегося диска или бежит по вращающейся палубе, - её абсолютное ускорение нельзя найти простым сложением относительного и переносного ускорений: между ними появляется третье слагаемое, ускорение Кориолиса, которое возникает именно из-за одновременного вращения переносной системы и относительного перемещения точки. Теорема о сложении ускорений, её ещё называют теоремой Кориолиса, даёт точную формулу этой суммы и объясняет, откуда берётся дополнительный член. Ниже разберём, как теорема формулируется, как выводится формула ускорения Кориолиса, как разложить итоговое ускорение по осям и где студенты чаще всего ошибаются. Чтобы сразу увидеть, как меняются слагаемые при разных параметрах диска и точки, покрутите калькулятор ниже: он строит векторную диаграмму сложения ускорений в реальном времени.

Сложное движение точки: относительное, переносное и абсолютное

В задачах о сложном движении точку рассматривают одновременно в двух системах отсчёта: неподвижной, обычно связанной с землёй или станиной, и подвижной, которая сама движется относительно неподвижной, вращается, перемещается поступательно или и то и другое сразу. Движение точки относительно подвижной системы называют относительным, движение самой подвижной системы, а вместе с ней и той точки подвижного тела, с которой в данный момент совпадает движущаяся точка, называют переносным, а движение точки относительно неподвижной системы, итоговое, называют абсолютным.

Классический пример - точка M, скользящая по прямолинейному пазу диска, который вращается вокруг неподвижной оси O с угловой скоростью ω\omega и угловым ускорением ε=dω/dt\varepsilon = d\omega/dt. Относительное движение точки здесь - перемещение вдоль паза, переносное движение - вращение самого диска. Расстояние точки от оси rr, относительная скорость вдоль паза vотнv_{\text{отн}} и относительное ускорение вдоль паза aотнa_{\text{отн}} - это как раз те три параметра относительного движения, которые нужно знать, чтобы найти итоговое ускорение точки.

Теорема о сложении ускорений (теорема Кориолиса)

Для скоростей сложение простое: абсолютная скорость точки равна сумме относительной и переносной скоростей, vабс=vотн+vпер\vec v_{\text{абс}} = \vec v_{\text{отн}} + \vec v_{\text{пер}}. С ускорениями так не получается, потому что переносная система отсчёта вращается, и на относительное движение точки накладывается ещё один эффект. Теорема о сложении ускорений формулируется так:

aабс=aотн+aпер+aкор,\vec a_{\text{абс}} = \vec a_{\text{отн}} + \vec a_{\text{пер}} + \vec a_{\text{кор}},

где aкор\vec a_{\text{кор}} - ускорение Кориолиса, дополнительное слагаемое, которое возникает всякий раз, когда переносное движение вращательное, а относительная скорость точки не равна нулю. Если переносное движение поступательное, без вращения, или точка неподвижна относительно подвижной системы (vотн=0v_{\text{отн}} = 0), ускорение Кориолиса обращается в ноль, и формула сводится к обычному сложению двух слагаемых.

Точка M скользит по радиальному пазу диска, вращающегося с постоянной угловой скоростью; по мере роста расстояния от оси растёт переносное центростремительное ускорение, а ускорение Кориолиса остаётся тангенциальным, пока не меняется знак относительной скорости

Само переносное ускорение aпер\vec a_{\text{пер}} у вращающегося тела - это тоже сумма из двух слагаемых, знакомых по кинематике вращательного движения: нормального, центростремительного, aперn=ω2ra_{\text{пер}}^{n} = \omega^2 r, направленного от точки к оси, и вращательного, тангенциального, aперτ=εra_{\text{пер}}^{\tau} = \varepsilon r, направленного по касательной к окружности, перпендикулярно радиусу. Поэтому полная формула для точки на вращающемся теле разворачивается в четыре слагаемых:

aабс=aотн+aперn+aперτ+aкор.\vec a_{\text{абс}} = \vec a_{\text{отн}} + \vec a_{\text{пер}}^{n} + \vec a_{\text{пер}}^{\tau} + \vec a_{\text{кор}}.

Формула ускорения Кориолиса

Ускорение Кориолиса определяется через векторное произведение угловой скорости переносного вращения и относительной скорости точки:

aкор=2ω×vотн.\vec a_{\text{кор}} = 2\, \vec \omega \times \vec v_{\text{отн}}.

Модуль этого вектора равен

aкор=2ωvотнsinθ,a_{\text{кор}} = 2\, \omega\, v_{\text{отн}} \sin\theta,

где θ\theta - угол между вектором угловой скорости ω\vec\omega и вектором относительной скорости vотн\vec v_{\text{отн}}. Направление находится по правилу векторного произведения, правилу правой руки или буравчика: нужно повернуть vотн\vec v_{\text{отн}} на прямой угол вокруг оси ω\vec\omega в ту сторону, куда закручивается правый винт.

Для плоского случая, когда паз лежит в плоскости диска, а ось вращения перпендикулярна этой плоскости, угол между ω\vec\omega и vотн\vec v_{\text{отн}} всегда прямой, поэтому синус равен единице и формула упрощается до

aкор=2ωvотн.a_{\text{кор}} = 2\, \omega\, v_{\text{отн}}.

При этом вектор aкор\vec a_{\text{кор}} лежит в плоскости диска и направлен по касательной к окружности, перпендикулярно относительной скорости. Если точка движется от оси наружу (vотн>0v_{\text{отн}} > 0), ускорение Кориолиса направлено в сторону вращения диска; если точка движется к оси (vотн<0v_{\text{отн}} < 0), оно направлено против вращения. Именно поэтому предмет, брошенный из центра вращающейся карусели наружу, отклоняется в сторону вращения - это тот же эффект Кориолиса, что знаком по геофизике: отклонение ветров и течений на вращающейся Земле.

Разложение по радиальному и тангенциальному направлениям

Удобно ввести две взаимно перпендикулярные оси: радиальную r^\hat r, вдоль паза, от оси наружу, и тангенциальную θ^\hat\theta, перпендикулярно радиусу, в направлении вращения. Тогда все четыре слагаемых теоремы раскладываются всего на две проекции, потому что относительное ускорение и переносное центростремительное лежат на одной оси, а переносное вращательное и кориолисово на другой:

ax=aотнaперn,ay=aперτ+aкор,a_x = a_{\text{отн}} - a_{\text{пер}}^{n}, \qquad a_y = a_{\text{пер}}^{\tau} + a_{\text{кор}}, aабс=ax2+ay2.a_{\text{абс}} = \sqrt{a_x^2 + a_y^2}.
Векторная диаграмма сложения ускорений: цепочка из относительного, переносного центростремительного, переносного вращательного и кориолисова ускорений заканчивается итоговым вектором абсолютного ускорения
Векторная диаграмма сложения ускорений: цепочка из относительного, переносного центростремительного, переносного вращательного и кориолисова ускорений заканчивается итоговым вектором абсолютного ускорения

На диаграмме видно, что переносное центростремительное ускорение всегда направлено к оси, поэтому в проекции на r^\hat r оно входит со знаком минус, а переносное вращательное и кориолисово ускорения складываются по одной оси θ^\hat\theta, их можно просто просуммировать перед тем, как искать общий модуль. Такое разложение - стандартный приём в задачах теоретической механики: оно сводит геометрическое сложение четырёх векторов к обычной теореме Пифагора для двух проекций.

Пример решения типовой задачи

Точка M скользит по прямолинейному радиальному пазу диска. Диск вращается с угловой скоростью ω=2\omega = 2 рад/с и угловым ускорением ε=1\varepsilon = 1 рад/с². В рассматриваемый момент точка находится на расстоянии r=0,5r = 0{,}5 м от оси, её относительная скорость вдоль паза vотн=1v_{\text{отн}} = 1 м/с, направлена от оси, относительное ускорение aотн=0,4a_{\text{отн}} = 0{,}4 м/с². Нужно найти переносное, кориолисово и абсолютное ускорения точки.

Сначала находим оба слагаемых переносного ускорения:

aперn=ω2r=220,5=2 м/с2,aперτ=εr=10,5=0,5 м/с2.a_{\text{пер}}^{n} = \omega^2 r = 2^2 \cdot 0{,}5 = 2\ \text{м/с}^2, \qquad a_{\text{пер}}^{\tau} = \varepsilon r = 1 \cdot 0{,}5 = 0{,}5\ \text{м/с}^2.

Ускорение Кориолиса для плоского случая:

aкор=2ωvотн=221=4 м/с2.a_{\text{кор}} = 2\, \omega\, v_{\text{отн}} = 2 \cdot 2 \cdot 1 = 4\ \text{м/с}^2.

Раскладываем по осям: центростремительное ускорение направлено к оси, поэтому вычитается из относительного, а вращательное и кориолисово складываются по тангенциальной оси:

ax=aотнaперn=0,42=1,6 м/с2,ay=aперτ+aкор=0,5+4=4,5 м/с2.a_x = a_{\text{отн}} - a_{\text{пер}}^{n} = 0{,}4 - 2 = -1{,}6\ \text{м/с}^2, \qquad a_y = a_{\text{пер}}^{\tau} + a_{\text{кор}} = 0{,}5 + 4 = 4{,}5\ \text{м/с}^2.

Абсолютное ускорение, модуль результирующего вектора:

aабс=ax2+ay2=(1,6)2+4,52=2,56+20,254,78 м/с2.a_{\text{абс}} = \sqrt{a_x^2 + a_y^2} = \sqrt{(-1{,}6)^2 + 4{,}5^2} = \sqrt{2{,}56 + 20{,}25} \approx 4{,}78\ \text{м/с}^2.

Знак минус у axa_x означает, что итоговый вклад по радиальному направлению направлен к оси, хотя точка и удаляется от неё: центростремительная составляющая переносного ускорения оказалась сильнее относительного. Подставьте те же числа в калькулятор выше - он покажет ту же векторную диаграмму и те же значения.

Частые ошибки

  • Забыть ускорение Кориолиса вовсе. Если переносное движение вращательное и точка движется относительно подвижного тела, третье слагаемое обязательно, даже если формулировка задачи о нём прямо не упоминает.
  • Спутать угловую скорость переносного вращения с относительной скоростью точки. В формулу aкор=2ωvотнa_{\text{кор}} = 2\omega v_{\text{отн}} подставляется угловая скорость вращения диска, а не какая-либо угловая скорость самой точки: у точки, движущейся вдоль паза, своей угловой скорости нет.
  • Неверный знак проекции центростремительного ускорения. aперn=ω2ra_{\text{пер}}^{n} = \omega^2 r всегда направлено к оси вращения, в проекции на ось, идущую от оси наружу, это слагаемое входит со знаком минус, а не плюс.
  • Считать, что ускорение Кориолиса всегда сонаправлено со скоростью вращения. Направление зависит от знака относительной скорости: при движении к оси вектор Кориолиса разворачивается на противоположный.
  • Применять упрощённую формулу без проверки угла. Формула aкор=2ωvотнa_{\text{кор}} = 2\omega v_{\text{отн}} без синуса верна только когда ω\vec\omega перпендикулярна плоскости относительного движения точки; в общем пространственном случае нужен полный множитель sinθ\sin\theta.

FAQ

Когда ускорение Кориолиса равно нулю? Когда относительная скорость точки равна нулю, когда угловая скорость переносного вращения равна нулю, то есть переносное движение чисто поступательное, или когда векторы ω\vec\omega и vотн\vec v_{\text{отн}} параллельны, тогда их векторное произведение равно нулю.

Чем теорема о сложении ускорений отличается от теоремы о сложении скоростей? Для скоростей достаточно двух слагаемых, относительной и переносной. Для ускорений появляется третье слагаемое, ускорение Кориолиса, потому что вращение переносной системы искривляет траекторию относительного движения точки в неподвижной системе отсчёта: этот эффект не имеет аналога для скоростей.

Как ускорение Кориолиса направлено относительно скорости точки? Оно всегда перпендикулярно относительной скорости точки, это следует из свойств векторного произведения, и лежит в плоскости, перпендикулярной вектору угловой скорости переносного вращения.

Коротко

Абсолютное ускорение точки в сложном движении равно сумме относительного, переносного и кориолисова ускорений: aабс=aотн+aпер+aкор\vec a_{\text{абс}} = \vec a_{\text{отн}} + \vec a_{\text{пер}} + \vec a_{\text{кор}}. Переносное ускорение вращающегося тела раскладывается на центростремительное ω2r\omega^2 r и вращательное εr\varepsilon r, а ускорение Кориолиса 2ω×vотн2\vec\omega \times \vec v_{\text{отн}} возникает всегда, когда точка движется относительно вращающейся системы отсчёта. Удобнее всего считать итог, разложив все слагаемые по радиальному и тангенциальному направлениям и сложив проекции по теореме Пифагора.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Кинетическая энергия тела при вращении: формула и расчёт

Кинетическая энергия тела при вращении: формула и расчёт

Кинетическая энергия тела при вращении: формула через момент инерции и угловую скорость, как момент инерции зависит от формы тела и как энергия распределяется между вращением и движением при качении.

7 июля 20267 минут
Канонические преобразования и производящая функция

Канонические преобразования и производящая функция

Канонические преобразования и производящая функция: что сохраняет каноничность, четыре типа функций F1-F4, условие на скобки Пуассона и разбор на примерах гармонического осциллятора.

19 июня 20268 минут
Кинетическая энергия при плоском движении тела: формула

Кинетическая энергия при плоском движении тела: формула

Кинетическая энергия при плоском движении тела: вывод формулы через теорему Кёнига, поступательная и вращательная части, качение без проскальзывания и разбор типовой задачи с числами.

11 июня 20269 минут
Обобщённые координаты и обобщённые силы: как найти

Обобщённые координаты и обобщённые силы: как найти

Обобщённые координаты и обобщённые силы: определение через принцип виртуальных перемещений, вывод формулы Q = -dП/dx и разбор задачи на грузе с пружиной на наклонной плоскости.

11 июня 20268 минут
Момент инерции тела относительно оси: как определить

Момент инерции тела относительно оси: как определить

Момент инерции тела относительно оси: интегральная формула, таблица моментов инерции стержня, диска, кольца и шара, теорема Штейнера и разбор типовой задачи механики.

11 июня 20269 минут
Теорема об изменении количества движения точки

Теорема об изменении количества движения точки

Теорема об изменении количества движения точки: что такое количество движения и импульс силы, вывод формулы, дифференциальная и интегральная форма, проекции на оси и частые ошибки.

11 июня 20267 минут