Sản xuất bởi: Science Popularization China
Sản xuất bởi: Cheng Mingchen
Nhà sản xuất: Trung tâm thông tin mạng máy tính, Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc
Một trong mười người trên Trái Đất có cách nhìn nhận các hiện tượng thường ngày khác với hầu hết chúng ta.
Ví dụ, họ không thể nhìn thấy Sao Bắc Đẩu, họ chỉ nhìn thấy những cơn bão ("xoáy thuận") quay theo chiều kim đồng hồ, và họ chỉ nhìn thấy bờ sông dốc thường nằm ở phía bên trái của con sông...
Bởi vì họ sống ở Nam bán cầu. Ngược lại, các lục địa ở bán cầu bắc lớn hơn nhiều so với các lục địa ở bán cầu nam và là nơi sinh sống của gần 90% dân số thế giới.
Do Trái Đất thuộc về bán cầu Bắc và bán cầu Nam nên một số hiện tượng tự nhiên trên Trái Đất có diễn biến trái ngược nhau. Lý do nổi tiếng nhất đằng sau điều này là lực Coriolis (lực Coriolis).
Lực Coriolis bị hiểu lầm
Trong sách giáo khoa địa lý, lực Coriolis còn được gọi là lực Coriolis.
Khi nhắc đến lực Coriolis, nhiều người có xu hướng liên tưởng nó với sự quay của Trái Đất, nhưng trên thực tế, "lực Coriolis" thuần túy không hề tồn tại. Hai lực này chỉ có một tên gọi thống nhất trong tiếng Anh: "Lực Coriolis".
Trong vật lý, người ta tin rằng bất kỳ vật thể quay nào, bao gồm cả Trái Đất, đều có thể tạo ra lực Coriolis.
Lực Coriolis có nguồn gốc từ một kỹ sư người Pháp, Gustave Gaspard de Coriolis, người đã phát hiện ra lực này khi đang nghiên cứu quá trình chuyển đổi năng lượng của bánh xe nước quay. Tên gọi lực Coriolis xuất phát từ đó. Lúc đầu, lực Coriolis, bầu khí quyển và sự quay của Trái Đất không liên quan gì đến nhau và được áp dụng vào các lĩnh vực tương ứng của chúng.
Lực Coriolis lần đầu tiên được Coriolis phát hiện trên một bánh xe nước (Nguồn ảnh: amatterofind)
Tương tự như lực ly tâm, theo định nghĩa vật lý chặt chẽ, lực Coriolis không phải là một lực thực sự. Đây là hiệu ứng (hiệu ứng Coriolis) được đưa vào để duy trì tính nhất quán với hệ quy chiếu cục bộ.
Mặc dù "không tồn tại", khái niệm lực Coriolis rất dễ hiểu và do đó được phổ biến và sử dụng rộng rãi.
Trên Trái Đất, hầu hết mọi vật thể chuyển động theo chiều ngang đều chịu tác động của lực Coriolis (trừ các vật thể ở đường xích đạo). Khi di chuyển theo đường thẳng, quỹ đạo của nó dần dần cong lại khi khoảng cách tăng lên.
"Ta không thể nhìn thấy bộ mặt thật của núi Lư vì ta đang ở bên trong đó." Theo một nghĩa nào đó, đường thẳng trong mắt một vật chuyển động lấy mặt đất dưới chân làm hệ quy chiếu, nhưng trong mắt người khác, do sự quay của Trái Đất, đường thẳng này thực chất là một đường cong ngay từ đầu.
Có hơi khó hiểu không?
Khi Galileo đề xuất nguyên lý tương đối, ông đã đưa ra một ví dụ: Giả sử trên một mặt hồ phẳng lặng, có một con tàu lớn di chuyển theo đường thẳng với tốc độ không đổi trong khi tất cả các cửa sổ đều đóng kín. Vậy, liệu những người trên tàu có thể biết được con tàu đang đứng yên hay đang di chuyển theo đường thẳng với tốc độ không đổi không?
Thí nghiệm tưởng tượng của Galileo trên tàu (Nguồn ảnh: Physics Central)
Kết quả rõ ràng là không thể xảy ra. Nhờ kiểm soát được quán tính nên kết quả của mọi thí nghiệm cơ học tiến hành trong cabin không khác gì so với trong cabin đứng yên.
Tương tự như vậy, khi chúng ta ở trên máy bay, tàu hỏa hoặc thang máy chuyển động với tốc độ không đổi, chúng ta thường có ảo giác rằng "chúng đang đứng yên".
Nhưng trái đất không phải là một con tàu di chuyển với tốc độ không đổi; nó luôn quay quanh trục của nó. Trước mọi vật thể trên Trái Đất, có ít nhất hai hệ quy chiếu. Một là hệ quy chiếu riêng của vật thể với chính nó là gốc, và hệ quy chiếu còn lại là hệ quy chiếu của Trái Đất với tâm Trái Đất là gốc và luôn quay.
Tất nhiên, bạn cũng có thể thiết lập vô số hệ tọa độ khác, chẳng hạn như hệ tọa độ mặt trời với mặt trời là trung tâm.
Là một lực quán tính, lực Coriolis không phải là một lực thực sự. Nói theo nghĩa bóng, nó giống như một cây cầu bắc qua hai hệ quy chiếu.
Đối với các vật đứng yên trên mặt đất, chúng sẽ duy trì trạng thái chuyển động giống như thời điểm trước đó. Cho dù trong hệ quy chiếu riêng của chúng hay trong hệ quy chiếu của Trái Đất, chúng đều ở trạng thái đứng yên. Lực Coriolis chỉ có thể "nhìn chằm chằm" và không thể đóng bất kỳ vai trò nào.
Các vật thể chuyển động trên bề mặt Trái Đất (không phải ở đường xích đạo) cũng có thể chọn hai hệ quy chiếu này, nhưng trạng thái chuyển động của chúng khác nhau trong các hệ quy chiếu khác nhau. Khi nó di chuyển thẳng về phía trước, quỹ đạo của nó trong hệ quy chiếu riêng là một đường thẳng, nhưng khi quỹ đạo của nó được chiếu xuống bề mặt Trái Đất, thì đó là một đường cong. Giống như có một bàn tay vô hình (lực Coriolis) đã bẻ cong đường thẳng. Đường cong này được hình thành do sự chồng chất của chuyển động quay của Trái Đất và quỹ đạo thẳng của chính nó. Đây chính là biểu hiện thực sự của lực Coriolis trên Trái Đất.
Tại sao hướng của lực Coriolis ở bán cầu bắc và nam lại ngược nhau?
Bởi vì trái đất tròn. Mặc dù Trái Đất quay từ tây sang đông, nhưng khi chúng ta ở trên cao trên bầu trời ở bán cầu bắc và nam và nhìn xuống (độ cao phải đủ lớn), chúng ta sẽ thấy rằng hướng quay của Trái Đất nhìn thấy ở hai bán cầu là ngược nhau: ngược chiều kim đồng hồ từ góc nhìn của Bắc Cực, và theo chiều kim đồng hồ từ góc nhìn của Nam Cực. Đây cũng là lý do tại sao lực Coriolis có hướng ngược nhau ở bán cầu bắc và nam.
Lực Coriolis ngược chiều nhau ở bán cầu bắc và nam (Nguồn ảnh: pressbooks)
Tốc độ góc quay lớn nhất ở các vùng cực vĩ độ cao và lực Coriolis cũng rất mạnh. Mặc dù cũng có vận tốc góc quay tại đường xích đạo, nhưng nó hoàn toàn giống với hướng quay của Trái Đất. Đường xích đạo dường như quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Khu vực gây tranh cãi này đã trở thành vùng cấm đối với lực Coriolis (một vòng lặp vô cùng mỏng).
Một xoáy nước nhỏ trong bồn rửa!
Tất nhiên, không chỉ gió, dòng hải lưu và máy bay bị ảnh hưởng bởi lực Coriolis. Hầu như mọi vật thể chuyển động theo chiều ngang trên Trái Đất đều chịu tác động của lực Coriolis, ngay cả nước trong bồn cầu.
Nước xoáy trong bồn cầu (Nguồn ảnh: Mental Floss)
Trong điều kiện lý tưởng, dòng nước chảy trong bồn cầu, bồn tắm và chậu rửa ở Bắc bán cầu có thể tạo ra dòng xoáy ngược chiều kim đồng hồ, nhưng vì lực Coriolis cực kỳ yếu, kết hợp với sự can thiệp từ hướng phun nước, hình dạng của hồ bơi và các yếu tố bên ngoài khác, nên hướng quay thường cực kỳ không chắc chắn.
Do đó, rất khó để thực sự quan sát "luồng xoáy do lực Coriolis tạo ra trong bồn cầu" bằng mắt thường. Hầu hết các cuốn sách, trang web và thậm chí cả giáo viên đều nói rằng các xoáy nước mà chúng ta nhìn thấy trong các hồ bơi hàng ngày không phải do lực Coriolis gây ra.
Nhưng ở mọi ngóc ngách trên thế giới, luôn có một số nhà khoa học thích tranh luận và mắc kẹt trong một lối mòn, và Ascher Shapiro, giáo sư cơ học chất lưu tại MIT, là một trong số đó.
Ông tin rằng nếu không có sự can thiệp của bất kỳ yếu tố nào, thì dù vũng nước có nhỏ đến đâu, lực Coriolis chắc chắn sẽ để lại xoáy nước riêng mà chúng ta có thể bắt được!
Mặc dù nhiều nhà khoa học hiểu được sự thật này, nhưng ít người có đủ can đảm để tiến hành thí nghiệm để xác minh nó. Bởi vì thí nghiệm có vẻ đơn giản này, có thể thực hiện ngay trong căn bếp nhà bạn, thực ra lại ẩn chứa một số khó khăn không thể lường trước.
Xoáy nước trong hồ bơi (Nguồn ảnh: technologyreview)
Năm 1962, Shapiro quyết định thử giải quyết vấn đề này. Vĩ độ của MIT là 42°. Khi tốc độ dòng chảy gần 5 mm/giây, lực Coriolis chỉ bằng 1/30 triệu lực hấp dẫn tại chỗ. Để loại bỏ sự can thiệp từ mọi yếu tố, ông đã cẩn thận thiết kế mọi chi tiết của bài kiểm tra.
Đầu tiên, ông chọn một hồ bơi hình trụ có đường kính khoảng 1,8 mét và độ sâu khoảng 0,15 mét. Ở giữa đáy có một lỗ thoát nước đường kính khoảng 1 cm, được bịt kín bằng nút chặn.
Ngoài ra, ông còn cố gắng loại bỏ tạp chất ra khỏi nước và điều chỉnh nhiệt độ trong phòng để kiểm soát sự thay đổi nhiệt độ. Để tránh làm cản trở luồng không khí, ông còn phủ một lớp màng nhựa lên trên bề mặt hồ bơi.
Điểm dễ bị bỏ qua nhất là sau khi hồ bơi được đổ đầy nước, vẫn sẽ có những chuyển động nhỏ trong nước, thậm chí có thể kéo dài trong vài giờ. Để tránh hoàn toàn ảnh hưởng của chuyển động này, Shapiro khuấy nước trong hồ theo chiều kim đồng hồ để bù lại dòng xoáy ngược chiều kim đồng hồ do lực Coriolis tạo ra ở Bắc bán cầu.
Sau 24 giờ lắng xuống, Shapiro cẩn thận rút phích cắm ra.
Trong 12-15 phút đầu, anh ta khó có thể phát hiện ra bất kỳ dấu hiệu xoay nào. Tuy nhiên, theo thời gian, dòng xoáy dần dần chuyển động ngược chiều kim đồng hồ mà không ai để ý.
Với điều kiện tất cả các yếu tố được kiểm soát chặt chẽ, Shapiro cuối cùng đã xác nhận được rằng lực Coriolis ở bán cầu bắc thực sự có thể khiến dòng xoáy trong hồ quay ngược chiều kim đồng hồ.
Vậy thôi sao? Thí nghiệm này có vẻ không khó và chúng ta có thể hoàn thành nó ngay trong căn bếp của mình, nhưng tại sao những người khác lại không thành công?
Một điều nữa là một số người có thể bỏ qua chuyển động còn lại của nước. Họ tin rằng nước trong hồ sẽ hoàn toàn tĩnh lặng sau 3-4 giờ.
Ngoài ra, vì hầu như không có dấu hiệu quay nào trong mười phút trước khi thí nghiệm bắt đầu, và hồ bơi do một số người thử nghiệm thiết kế có thể quá nhỏ, nên nước trong hồ đã bị mất trước khi xoáy nước xuất hiện. Hoặc có lẽ một số nhà thử nghiệm đã mất kiên nhẫn sau một thời gian quan sát và bỏ cuộc trước khi thành công.
Để nghiêm ngặt hơn, ba năm sau, các học giả từ Đại học Sydney đã tiến hành một thí nghiệm tương tự ở Nam bán cầu và một xoáy nước quay theo chiều kim đồng hồ cũng xuất hiện. Đến thời điểm này, hiểu lầm phổ biến rằng "không thể nhìn thấy dòng xoáy do lực Coriolis gây ra trong hồ" đã hoàn toàn bị phá vỡ.
Vòng xoáy quay chậm (Nguồn: ffden)
Kết quả của cả hai nhóm thí nghiệm đều được công bố trên tạp chí Nature, ngay lập tức gây ra nhiều câu hỏi từ độc giả trên toàn thế giới. Vào thời đại không có Internet, tác giả và độc giả chỉ có thể giao tiếp qua thư từ. Hơn mười năm sau khi xuất bản, Shapiro vẫn nhận được thư từ khắp nơi trên thế giới, hầu hết đều liên quan đến "xoáy nước".
Ngày nay, trong kho lưu trữ của MIT, chúng ta vẫn có thể thấy một thư mục đã phai màu chứa đầy email của độc giả và những phản hồi cẩn thận và chi tiết của Shapiro.
Lực Coriolis: Phổ biến hơn bạn nghĩ
Lực Coriolis không ảnh hưởng lớn đến cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Nó chỉ thể hiện rõ ràng ở những vật thể chuyển động với tốc độ cao. Nhưng đối với lính bắn tỉa, những viên đạn bay tốc độ cao có thể gây tử vong nếu bị ảnh hưởng bởi lực Coriolis.
Trên thực tế, bắn tỉa không chỉ đơn thuần là ngắm và bắn trong trò chơi, và bắn tỉa tầm cực xa không hoàn toàn tuân theo nguyên tắc "mục tiêu-tầm nhìn-mắt".
Chụp ảnh từ góc nhìn của những người nước ngoài "tin rằng Trái Đất phẳng" cũng phủ nhận sự tồn tại của lực Coriolis (Nguồn ảnh: thetruthaboutguns)
Ngoài khoảnh khắc bóp cò, công việc của lính bắn tỉa còn liên quan nhiều hơn đến việc cảm nhận nhiệt độ và độ ẩm tại địa phương, tốc độ và hướng gió, đồng thời xem xét ảnh hưởng của sức cản không khí, trọng lực và lực Coriolis ở vĩ độ tại địa phương.
Khi phải đối mặt với những nhiệm vụ tiêu diệt cực kỳ phức tạp, lính bắn tỉa thậm chí sẽ dùng bút và giấy để thực hiện các phép tính toán học với trợ lý (người quan sát) và điều chỉnh ống ngắm kịp thời, nếu không, chỉ cần một sai sót nhỏ cũng có thể dẫn đến thất bại của nhiệm vụ.
Ảnh thiên hà được chụp bởi kính viễn vọng Hubble (Nguồn ảnh: bfmtv)
Tất nhiên, lực Coriolis không chỉ xuất hiện trên Trái Đất; bất kỳ hành tinh nào cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi lực Coriolis. Vì Trái Đất quay chậm nên hiệu ứng Coriolis không rõ ràng.
Sao Mộc là hành tinh quay nhanh nhất trong hệ mặt trời, với tốc độ gió lên tới 610 km/giờ. Ở đây, lực Coriolis phát triển mạnh mẽ như cá gặp nước và thậm chí có thể biến gió bắc-nam thành gió đông-tây.
Sao Hỏa thường được gọi là hành tinh chị em của Trái Đất, nhưng trên thực tế, hành tinh có nhiều đặc điểm chung nhất với Trái Đất là Sao Kim. Sao Kim là hành tinh gần Trái Đất nhất, cả hai có kích thước gần như nhau, có cấu trúc tương tự và đều có bầu khí quyển dày.
Chỉ là sao Kim quay từ đông sang tây (đảo ngược). Do đó, hiện tượng lực Coriolis ở bán cầu nam của sao Kim hoàn toàn giống với hiện tượng lực Coriolis ở bán cầu bắc của Trái Đất. Mỗi hành tinh đều khác nhau nhưng chúng đều tuân theo những quy luật tương tự.
Những người vô tội bị bắt giữa làn đạn: "Khi nghi ngờ, hãy sử dụng cơ chế Coriolis"
Sau khi nhận ra sự tồn tại của lực Coriolis, một số người có xu hướng liên kết mọi hiện tượng trên thế giới với lực Coriolis. Ví dụ, luật giao thông về việc lái xe bên phải.
Người ta nói rằng: Xe ô tô ở bán cầu bắc có xu hướng lệch sang hai bên đường dưới tác động của lực Coriolis. Nếu lái xe bên trái, họ dễ va chạm với xe ngược chiều và gây ra tai nạn giao thông.
Điều này nghe có vẻ hợp lý và nhiều quốc gia ở Nam bán cầu tuân thủ luật giao thông là lái xe bên trái. Nhưng thực tế thì điều này không liên quan gì đến lực Coriolis.
Có 163 quốc gia và khu vực trên thế giới áp dụng chuẩn mực giao thông là lái xe bên phải, trong khi 76 quốc gia sử dụng quy tắc bên trái, bao gồm Vương quốc Anh và các thuộc địa cũ của Anh như Nam Phi, Úc và New Zealand.
Lý do cụ thể cho các quy tắc lái xe khác nhau có thể bắt nguồn từ các hiệp sĩ Anh thời trung cổ, họ cầm vũ khí bằng tay phải khi đấu kiếm, để ngựa của họ gần với phía bên trái hơn; Ngay cả sau cuộc Cách mạng Công nghiệp, khi ngựa được thay thế bằng ô tô, truyền thống này vẫn được duy trì. Vào thế kỷ 18, Anh được mệnh danh là "Đế chế Mặt trời không bao giờ lặn" và cũng áp dụng luật giao thông là lái xe bên phải và đi bộ bên trái vào các thuộc địa của mình.
Quy tắc lái xe bên trái và bên phải (Nguồn ảnh: BrightSide)
Ngoài ra, còn có một số tuyên bố nghe có vẻ vô lý, chẳng hạn như lực Coriolis khiến lòng bàn chân phải của người dân ở bán cầu bắc bị mòn nhiều hơn lòng bàn chân trái. Tuy nhiên, điều này xuất phát từ thói quen chạy bộ cá nhân và không liên quan gì đến sự quay của Trái Đất.
Các họa tiết trên mỗi đôi giày đều độc đáo, giống như dấu vân tay của chúng ta vậy. Nhưng "mẫu giày" ghi lại thói quen đi bộ của chúng ta. Một số điều tra viên tội phạm thậm chí có thể xác định chính xác nghi phạm trong đám đông dựa trên đế giày và dấu giày trên bùn.
Ba hình dạng mòn điển hình trên đế giày (Nguồn hình ảnh: treadlabs)
Khi thay giày, thỉnh thoảng bạn nên lật ngược giày lại và dành vài phút để phân tích đế giày. Hiểu được kiểu mòn của đế giày có thể giúp bạn cải thiện dáng đi bộ và chạy, ngăn ngừa chấn thương và cung cấp một số hướng dẫn khi mua đôi giày tiếp theo.
Tài liệu tham khảo:
1. https://www.nationalgeographic.org/encyclopedia/coriolis-effect/
2. https://www.thoughtco.com/what-is-the-coriolis-effect-1435315
3. https://factfile.org/10-facts-about-coriolis-effect
4. https://www.technologyreview.com/2012/10/24/183079/verifying-a-vortex/
5. https://www.thenakedscientists.com/articles/interviews/can-you- detect-coriolis-effect-your-sink
6. https://www.nap.edu/read/23394/chapter/47
