Теорема о сложении ускорений: ускорение Кориолиса
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 и угловым ускорением . Относительное движение точки здесь - перемещение вдоль паза, переносное движение - вращение самого диска. Расстояние точки от оси , относительная скорость вдоль паза и относительное ускорение вдоль паза - 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, . 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:
где - 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 (), ускорение Кориолиса обращается в ноль, и формула сводится к обычному сложению двух слагаемых.
Само переносное ускорение у вращающегося тела - это тоже сумма из двух слагаемых, знакомых по кинематике вращательного движения: нормального, центростремительного, , направленного от точки к оси, и вращательного, тангенциального, , направленного по касательной к окружности, перпендикулярно радиусу. Поэтому полная формула для точки на вращающемся теле разворачивается в четыре слагаемых:
Формула ускорения Кориолиса
Ускорение Кориолиса определяется через векторное произведение угловой скорости переносного вращения и относительной скорости точки:
Модуль этого вектора равен
где - угол между вектором угловой скорости и вектором относительной скорости . Направление находится по правилу векторного произведения, правилу правой руки или буравчика: нужно повернуть на прямой угол вокруг оси в ту сторону, куда закручивается правый винт.
Для плоского случая, когда паз лежит в плоскости диска, а ось вращения перпендикулярна этой плоскости, угол между и всегда прямой, поэтому синус равен единице и формула упрощается до
При этом вектор лежит в плоскости диска и направлен по касательной к окружности, перпендикулярно относительной скорости. Если точка движется от оси наружу (), ускорение Кориолиса направлено в сторону вращения диска; если точка движется к оси (), 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 , вдоль паза, от оси наружу, и тангенциальную , 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:

На диаграмме видно, что переносное центростремительное ускорение всегда направлено к оси, поэтому в проекции на оно входит со знаком минус, а переносное вращательное и кориолисово ускорения складываются по одной оси , 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 рад/с и угловым ускорением рад/с². В рассматриваемый момент точка находится на расстоянии м от оси, её относительная скорость вдоль паза м/с, направлена от оси, относительное ускорение м/с². Нужно найти переносное, кориолисово и абсолютное ускорения точки.
Сначала находим оба слагаемых переносного ускорения:
Ускорение Кориолиса для плоского случая:
Раскладываем по осям: центростремительное ускорение направлено к оси, поэтому вычитается из относительного, а вращательное и кориолисово складываются по тангенциальной оси:
Абсолютное ускорение, модуль результирующего вектора:
Знак минус у 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 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. 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 без синуса верна только когда перпендикулярна плоскости относительного движения точки; в общем пространственном случае нужен полный множитель .
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 и 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: . Переносное ускорение вращающегося тела раскладывается на центростремительное и вращательное , а ускорение Кориолиса 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.
Читайте также

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.

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.

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.

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.

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.

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.