ما المقصود بقانون فرل؟

ينصّ قانون فرل على أنه “إذا تحرك جسم في أي اتجاه على سطح الأرض، فهناك قوة انحرافٍ تنشأ من دوران الأرض، والتي تحرفه إلى اليمين في نصف الكرة الشمالي، وإلى اليسار في نصف الكرة الجنوبي”.

أثبت فرل أنه ميل الهواء الدافئ المتصاعد هو السبب في انتقال هذا الهواء الى القطب أثناء دورانه بسبب تأثير كوريوليس، لسحب الهواء من المناطق الأكثر استوائية وأكثر دفئًا. يخلق هذا الدوران انحناءات معقدةً في الأنظمة الأمامية التي تفصل بين مناطق القطب الشمالي / القطب الجنوبي الأكثر برودةً والمناطق المدراية الأكثر دفئًا باتجاه خط الاستواء.

طور فرل نظرية هادلي (الذي بيّن أن دوران الأرض يلعب دورًا في الاتجاه الذي تتخذه كتلة هوائية تتحرك بالنسبة إلى الأرض) من خلال التعرف على آليةٍ لم تكن حتى ذلك الوقت واضحة. وقد وضح فرل ذلك في أحد كتبه بقوله: “تنشأ القوة الرابعة والأخيرة من الجمع بين حركة الشرق أو الغرب النسبية للغلاف الجوي مع الحركة الدورانية للأرض”.

نتيجةً لتمركز الغلاف الجوي على محور مشترك مع محور الأرض، يتأثر كل جسيم بقوة طردٍ مركزيٍّ، والتي عندما يتم تجزئتها إلى قوةٍ عموديةٍ وأفقيةٍ، تجعلها الأخيرة (الأفقية) تتخذ شكلًا كرويًا يتوافق مع شكل الأرض. ولكن، إذا كانت الحركة الدورانية لأي جزءٍ من الغلاف الجوي أكبر من نظيرتها على الأرض (أو بعبارةٍ أخرى، إذا كان لأيّ جزءٍ من الغلاف الجوي حركةٌ شرقيةٌ نسبيةٌ فيما يتعلق بسطح الأرض) فإن هذه القوة تزداد، وإذا كان له حركةٌ غربيةٌ نسبيةٌ، فهي في تناقص، وهذا الاختلاف يؤدي إلى قوةٍ مضطربة تمنع الغلاف الجوي من أن يكون في حالة توازن.

لا تشرح نظرية فرل للرياح التوزع العام للضغط الجوي في مختلف أنحاء العالم فقط، (كما لا يمكن لأي نظرية أخرى أن تفعله) بل إنها تقدم ارتباطاتً واسعةً بين العديد من الظواهر في علم الأرصاد الجوية.

الرياح تتحرك من مناطقِ الضغطِ الجويّ المُرتفع إلى مناطقِ الضغطِ الجويّ المنخفض، وبسبب دوران الارض حول نفسها فالرياح لا تتجه بشكلٍ مباشرٍ من مناطقِ الضغطِ المُرتفع إلى مناطقِ الضغطِ المنخفضِ بل إنها تنحرف إلى اليمين من اتجاهها في نصف الكرة الأرضية الشمالي، وإلى اليسار من اتجاهها في نصف الكرة الأرضية الجنوبي، وهذه القوة تسمى قوة كوريوليس أو تسمى قانون فرل، أي أن قانون فرل مشتق من تأثير قوة كوريوليس على الكتل الهوائية، تم تسمية القانون بعد عالم الأرصاد الجوية الأمريكي وليام فرل (1817-1891). يستخدم قانونه للتنبؤ “بالدوران الواسع النطاق لغلاف الأرض والمحيطات أي قانون فيريل هو قوة كوريوليس على نطاق عالمي.

يتضمن قانون فيريل انحراف الجسم (الماء ، الهواء ، الجليد ، أو ما شابه) في حركة تأثير كوريوليس. كان العالم دبليو فرل أول من وصف تأثير كوريوليس على تحريك الجسيمات.

وكنتيجة لهذا الإجراء، نجد أن كل من الرياح وتيارات المحيطات والجليد المنحدر تنحرف إلى اليمين (مع الإشارة إلى حركتها الأصلية) في نصفِ الكرةِ الشماليّ وإلى اليسارِ في نصفِ الكرةِ الجنوبيّ، لكن لا يوجد تأثير كوريوليس على الأجسام في حالة الراحة.

تأثير كوريوليس، لكل وحدة كتلة، هو F = v × 2Ω sin φ (في التدوين الحجمي)، حيث:

Ω هي السرعة الزاوية لدوران الأرض (0.729 × 10−4(s−1))F، قوة كوريوليس،V السرعة، Φ خط العرض.

على الرغم من أن هذه القوة صغيرة مقارنة بالجاذبية (إذا افترضنا أن سرعة الحسم 10 م/ثا، φ = 45 ° ، F≡1 × 10−3cm / s − 2) ، بالتالي تأثيرها مهم جدًا في الحركات الأفقية.

يمكن موازنة تأثير كوريوليس بقوى أخرى في علم المحيطات؛ كتدرج الضغط الهيدروستاتيكي، وسحب الرياح.

قوة كوريوليس هي قوة ذاتية تعمل على الأجسام المتحركة بالنسبة للإطار المرجعي الدوار، في الإطار المرجعي مع دوران في اتجاه عقارب الساعة، تعمل القوة على يسار حركة الجسم، في واحدة مع دوران عكس اتجاه عقارب الساعة، تعمل القوة إلى اليمين. يسمى انحراف الجسم بسبب قوة كوريوليس بتأثير كوريوليس.

للمساعدة على تصور وفهم كيفية عمل قانون فرل، تخيل نملة تزحف عبر قرص مضغوط، حيث “P” يمثل الزخم الزاوي للنمل وتمثل كتلته بـ “m”، ثم اضرب مربع مسافة النملة أثناء انتقالها من مركز القرص فيكون “r2” في حجم دوران القرص: P = mr2.

تخيل الآن أن النملة تسير في خط شعاعي مستقيم إلى منتصف القرص وأن سرعته الشعاعية تظل ثابتة مع دوران القرص وأن كتلته تظل ثابتة أيضًا، ولكن المسافة تبتعد عن المركز، إذا تم تطبيق الصيغة P = mr2 ، نجد أن الزخم الزاوي يزداد. ومع ذلك، فإن القوة ضرورية لتغيير الزخم الزاوي لأي جسم.

لذا، إذا كانت النملة تمشي مباشرة إلى منتصف القرص، فيجب أن تشعر النملة ببعض القوة التي تبطئ معدل الدوران. من وجهة نظر الجسيم “النملة”، إنها تمشي في خط مستقيم ويبدو أن “الدفع الجانبي” يتطلب منها موازنة نفسها في نفس اتجاه القرص الدوار. يبدو أن دفعة القوة المتزايدة تنطبق فقط عندما تقترب النملة من المحور الدوار للقرص أو أبعد منه، وهذه هي قوة كوريوليس.

توفي العالم ويليام فرل في 18 سبتمبر 1891 في ولاية كنساس في عامه الخامس والسبعين. كان النصف الأول من حياته صراعًا ضد الظروف الصعبة في بيئة غير ملائمة. وشهدت سنواته الأخيرة مشاركة ضمن فريق Nautical Almanac، المسؤول عن حسابات المد والجزر في مسح الماطق الساحلية، وعمل كأستاذٍ الأرصاد الجوية، وعضوًا في الأكاديمية الوطنية للعلوم، وكان رمزًا معروفًا في مجال الأرصاد الجوية العلمية. كان غير مبال بالشعبية والشهرة، ولم يكلف الكثير من الجهد لفرض آرائه على العالم.

لم يبتكر فرل نظريته من أشياء جديدة، لكنه بنى دراساته على حقائق مؤكدةً جيدًا. لم يكن مجربًا، لكنه تابع النتائج التي حصل عليها أفضل علماء الفيزياء السابقين وفي عصره. لقد كان شخصا عقلانيًا، قادرًا على استخدام أقوى أساليب التحليل الرياضي والإحصاء. لم ينتقد أحد نتائجه أكثر مما انتقدها هو نفسه.