科里奥利力及其应用.doc

石工11-10班 赵胜绪 2011010194科里奥利力1 引言科里奥利力（Coriolis force），简称为科氏力，是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力是以牛顿力学为基础的。1835年，法国气象学家和工程师科里奥利（Gaspard-Gustave Coriolis）提出，为了描述旋转体系的运动，需要在运动方程中引入一个假想的力，这就是科里奥利力。引入科里奥利力之后，人们可以像处理惯性系中的运动方程一样简单地处理旋转体系中的运动方程，大大简化了旋转体系的处理方式。由于人类生活的地球本身就是一个巨大的旋转体系，因而科里奥利力很快在流体运动领域取得了成功的应用。2 物理学中的科氏力科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性，在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性的作用，有沿着原有运动方向继续运动的趋势，但是由于体系本身是旋转的，在经历了一段时间的运动之后，体系中质点的位置会有所变化，而它原有的运动趋势的方向，如果以旋转体系的视角去观察，就会发生一定程度的偏离。如右图1所示，当一个质点相对于惯性系做直线运动时，相对于旋转体系，其轨迹是一条曲线。立足于旋转体系，我们认为有一个力驱使质点运动轨迹形成曲线，这个力就是科里奥利力。根据牛顿力学的理论，以旋转体系为参照系，这种质点的直线运动偏离原有方向的倾向被归结为一个外加力的作用，这就是科里奥利力。从物理学的角度考虑，科里奥利力与离心力性质相似，都不是真实存在的力，而是惯性作用在非惯性系内的体现。科里奥利力的计算公式如下:Fc=-2mv式中Fc为科里奥利力；m为质点的质量；v为质点的运动速度；为旋转体系的角速度；表示两个向量的外积符号。特殊的是，在地球上，拥有水平于地面方向运动分量的物体受里奥利力大小为：F=2mvsin式中F为地转偏向力的大小；m为物体质量；v为物体的水平运动速度分量；为地球自转的角速度；为物件所处的纬度。受力方向北半球向物体运动的右侧，南半球向物体运动的左侧。3 生活中的科氏力3.1 柏而定律该定律是自然地理中一条从实际观察总结出来的著名规律，即北半球河流右岸比较陡削，南半球则左岸比较陡削。这可以由地转偏向力得到说明，北半球河水在地转偏向力作用下，对右岸冲刷甚于左岸，长期积累的结果，右岸比较陡峭（如下图2所示）。3.2 傅科摆摆动可以看作一种往复的直线运动，在地球上的摆动会受到地球自转的影响。只要摆面方向与地球自转的角速度方向存在一定的夹角，摆面就会受到科里奥利力的影响，而产生一个与地球自转方向相反的扭矩，从而使得摆面发生转动。1851年法国物理学家傅科预言了这种现象的存在，并且以实验证明了这种现象，他用一根长67m的钢丝绳和一枚27kg的金属球组成一个单摆，在摆垂下镶嵌了一个指针，将这个巨大的单摆悬挂在教堂穹顶，实验证实了在北半球摆面会缓缓向右旋转。由于傅科首先提出并完成了这一实验，因而实验被命名为“傅科摆实验”(如下图3所示)。 3.3 热带气旋热带气旋(北太平洋上出现的称为台风)的形成受到科里奥利力的影响。驱动热带气旋运动的原动力一个低气压中心与周围大气的压力差，周围大气中的空气在压力差的驱动下向低气压中心定向移动，这种移动受到科里奥利力的影响而发生偏转，从而形成旋转的气流，这种旋转在北半球沿着逆时针方向而在南半球沿着顺时针方向，由于旋转的作用，低气压中心得以长时间保持（如下图4所示）。3.4 大气环流大气运动的能量来源于太阳辐射，气压梯度力是大气运动的源动力。全球共有赤道低压带，南、北半球纬度30附近的副热带高压带，南、北半球纬度60附近的副极地低压带，南、北半球的极地高压带等七个气压带。气压带之间在气压梯度力和地转偏向力的作用下形成了低纬环流圈、中纬环流圈和高纬环流圈。由于受地转偏向力的作用，南北向的气流却发生了东西向的偏转。北半球地面附近自北向南的气流，有朝西的偏向。在气压带之间形成了六个风带，即南、北半球的低纬信风带，南、北半球的中纬西风带，南、北半球的极地东风带（如下图5所示）。3.5 其他现象科氏力将洗衣机、抽水马桶、龙卷风这几样风马牛不相及的东西串连起来：在北半球自上向下观察龙卷风，其漩涡总是逆时针的；而洗衣机放水产生的漩涡，抽水马桶抽水产生的漩涡也同为逆时针；相应的，南半球的漩涡则均为顺时针，而这正是科氏力的体现。科氏力也引发了我们对我国交通制度的思考，常见的道路大多是中间高，两边低，理由是利于排水。我国的交通规则是“靠右行驶”，因而行驶在道路上的汽车受到的重力和地面的支撑力不在同一直线上，两个力的合力是向车右侧的。我国地处北半球, 在汽车行驶的过程中,会受到向右的科氏力作用, 而且随着汽车速度的增加, 侧滑力也增加，那么就需要轮胎产生更大的摩擦力。而香港由于历史缘故执行“靠左行驶”的规则，车受到的路面的支撑力与重力的合力方向向左, 科氏力依旧是向右的,可以抵消部分的侧滑力，相对而言更加有利于车辆安全行驶。4 科氏力的应用人们利用科氏力的原理设计了一些仪器进行测量和运动控制，质量流量计便是最好的例子。科氏质量流量计是一种用于直接测量质量流量的流量计，在原理上消除了温度、压力、流体状态、密度等参数的变化对测量精度的影响，可以适应气体、液体、两相流、高黏度流体和糊状介质的测量，是一种高精度的适应范围很广的测量方法，只是科氏质量流量计的精度要随纬度变化面调整。它还具有压力损失小，自排空，保持清洁等众多特点，是流量测量的发展方向之一。科氏力在军事方面同样发挥着不可或缺的作用。对于旋转前进的子弹，科氏力的存在必然导致弹头在自旋方向上旋进地更多（即绕自身中心顺时针旋转的子弹出膛后，科里奥利效应会使得弹头飞行过程中会向右上方偏转）。虽然科氏力对近距离的射击并没有太大的影响，但是对于远距离狙击及洲际导弹的发射命中来讲，科氏力确实无法忽视的；而具体的修正，需要靠射手丰富的经验和准确的弹道学设