科里奥利力的详细讲解2

由台风想到的 关于科里奥利力的一些思考 郭明玮pb05000628 天高云淡 水波不惊 远处的山峰道映在如蓝宝石般清澈透明的水中 别有一番风味 大自然给我们带来了无穷无尽的视觉与心灵的享受 但 但大自然也拥有着令人类恐怖的 给人们造成致命一击的破坏力 每年大自然都以他的强大破坏力向人类发出警告 不要忽略我的力量 每个夏天因台风 飓风造成的损失 高达数百亿美圆之多 自然灾害也因而深深得影响着人类的经济发展和社会安定 如何去将台风 飓风给人类造成的危害降低到最低点 甚至去利用台风 飓风为人类造福呢 要做到这一点 首先应该加强对台风与飓风的了解 在这里我主要从力学的角度来分析一下台风与飓风的形成 从质点动力学的观点可以知道 台风的气体环流是科里奥利力在地球上的一种表现形式 我们从科里奥利加速度的推导来了解一下什么是科里奥利加速度和科里奥利力 动参考系作任意方式的运动 相对于k 系做匀速运动的点具有科里奥利加速度 P点相对于K 系作匀速运动 有 动参考系作任意方式的运动 令 则有 上式中第二项称为称为科里奥利加速度 这是法国人科里奥利 G Coriolis 于1835年提出的 动参考系作任意方式的运动 当 在K系看 P点受到真实力F作用 在K 系看 为了能形式上使用牛顿定律 质点P点所受的表现力必须为零 故质点P除了受惯性离心力fc作用外 还受到另一力fcor作用 fcor称为科里奥利力 动参考系作任意方式的运动 由科里奥利力的表达式可见 该力有三个特征 1 与相对速度成正比 故只有当物体相对转动参考系运动时才可能出现 与转动参考系的角速度的一次方成正比 而离心力与角速度的二次方成正比 故当参考系的转动角速度较小时 科里奥利力比离心力更重要 力的方向总是与相对速度垂直 放不会改变相对速度的大小 在地球上当 方向向上 如地球的北半球 时 力沿地面的分量指向相对运动的右方 向下 如南半球 时 力沿地面的分量指向相对运动的左方 在这里再介绍一个有关于科里奥利力发现与证明的故事 惯性力 科里奥利力人类的视野是广阔的 他们不仅看到了天空和海洋 看到了眼前的物质 看到了各种力的作用 也看到了赖以生存的地球所蕴含的深刻运动现象 法国的一位工程师和物理学家科里奥利发现 当物体在作为参考系的转动物体上运动时 会受到另一种惯性力 即科里奥利力 的作用 由于地球是一个转动参考系 所以地面上运动物体一般都受到科里奥利力的作用 1851年2月3日 物理学家傅科 向法国科学院报告了他用单摆证明地球自转的发现 宣布了摆动平面所描绘的圆与纬度的正弦成正比 这个成功的发现 促使傅科把单摆按比例放大 并搬到巴黎的伟人祠去做 消息一传出 立即成了轰动巴黎的一件奇闻 第二天 巴黎街头人声鼎沸 对科学发现有兴趣的人们 纷纷拥入伟人祠门内 而从里面出来的人都啧啧称赞着 真是奇迹 我竟能看见地球的自转 在伟人祠的高大建筑物里 高高的圆屋顶上悬挂着一个巨大的单摆 这个单摆摆长67米 相当于一座20层楼房的高度 下面悬着一个28千克的重球 正在缓慢而单调地摆动着 这有什么稀奇 这不过是一个巨大的单摆而已 刚挤进伟人祠的人群中有人不禁有些失望 请注意单摆的摆动方向 站在旁边的傅科提醒大家 人们顺着傅科的手指望去 只见台面上撒了一层细沙 巨摆紧贴着台面摆动 细沙上清晰地留下一条摆动的痕迹 几分钟过去了 人们不由得惊奇起来 原来 单摆的每一次摆动 它的方向都有一点微小的变动 一个小时以后 单摆的方向移动了十几度 是什么力使巨摆转动呢 观看的人们迷惘地四下张望着 怎么找不到这个力啊 这时 傅科又站在圆台前大声对大家说 女士们 先生们 单摆摆动的方向并没有变动 而是我们脚下的地球在时刻不停地转动 经过几分钟的安静之后 人们又一次沸腾起来 他们完全被这个出色的实验表现征服了 在巨摆下面 地球自转竟然表现得如此清楚 如此分明 大家不由自主地拥上前去 紧紧地和博科拥抱 向他表示祝贺 在以后的两年中 世界许多地方多次重复了傅科的实验 研究摆的科学论文也成倍地增长 话再说回来 傅科又是怎样作出这一发现呢 原来 他对摆和地球自转问题的兴趣 缘于天文观察 当时他只有26岁 因要拍摄天空中星体的照片 就需要长时间曝光 望远镜系统在拍摄过程中也就得连续保持指向天空中的目标 为了控制望远镜系统的运动 使它能跟踪目标 傅科仿照惠更斯未曾实现的圆锥摆钟方案 做了一台特殊的钟 并用一根钢棒支撑摆锤 就在加工钢棒的过程中 细心的傅科注意到 当把一根钢棒夹在车床的卡子上 用手转动车床时 钢棒振动总是要维持它原来的振动平面 不随车床转动 这一不期而遇的力学现象 立即引起傅科的重视 使他联想到是不是可以用类似的方法 做一个表演来证明地球的自转 这个想法一直在他的脑海中萦绕了多年 1851年1月8日 傅科正在家里观察一个2米长的单摆 想进一步研究单摆的运动规律 几小时过去了 他突然发现 摆动平面不断缓慢旋转 逐渐转向 天球昼夜运动的方向 惊喜若狂的傅科又在巴黎天文台大厅里 用8米长的单摆重复这一试验 取得成功 接着 便是本文开头的一幕 傅科向法国科学院报告了他的发现 单摆做得很长 摆锤做得很重 便可使摆动持续较长时间 并使摆本身的惯性加大 抵抗空气阻力的本领也增大 这样就可使人们把摆动方向的变化看得更清楚 为了表彰傅科的功绩 各国科学家一致决定 把巨摆命名为 傅科摆 轰动巴黎的傅科摆表演 生动而形象地证明因地球自转而引起科里奥利力的理论 并且告诉人们地面上的这种偏转力是沿水平方向的 从而使长期以来对河流 海洋这一类因地球自转有明显影响的现象研究 获得坚实的力学基础 现在我们来具体分析一下台风与科里奥利力的关系 天气图上 高 低气压环流能长期存在 如图2 24 a b 是北半球高空的情况 图中虚线表示等压线 在高空摩擦力可以忽略 气压梯度力F与科里奥利力fcor正好平衡 图2 24 c d 是北半球地面的情况 在地面 由于摩擦力f的加入 平衡时是气压梯度力F 科里奥利力fcor与摩擦力f三个力平衡 图2 24 d 就是我们熟知的台风的气体环流图 台风仅仅只是科里奥利力在地球上的表现形式之一 可以说科里奥利力在我们的日常生活中随处可见 只要你用心去观察 比如说 1地面上北半球河流冲刷右岸 火车对右轨的偏压较大 在南半球则对左岸和左轨作用大 2自由落体因受科里奥利力的作用 会向东偏斜 3在北半球的单摆由于受科里奥