地轉偏向力

地轉偏向力

當物體相對與地球表面運動時會受到一個叫地轉偏向力的力的影響而改變方向,但地轉偏向力並不是一個真正的力,而是一種慣性力。地轉偏向力對航天,航空來說是一種不可忽視的力,地轉偏向力在極地最顯著,向赤道方向逐漸減弱直到消失在赤道處,而且在日常生活中地轉偏向力很小,是忽略不計的。

  • 中文名稱
    地轉偏向力
  • 外文名稱
    Coriolis force
  • 表達式
    f=2mvωsinφ
  • 提出者
    古斯塔·加斯佩德·科裏奧利
  • 提出時間
    1835
  • 套用學科
    物理 地理

基本概述

地轉偏向力地轉偏向力

地轉偏向力

由于地球自轉而產生作用于運動物體的力,稱為地轉偏向力,簡稱偏向力。它隻在物體相對于地面有運動時才產生(實際不存在),隻能改變水準運動物體運動的方向,不能改變物體運動的速率。地轉偏向力可分解為水準地轉偏向力和垂直地轉偏向力兩個分量。由于赤道上地平面繞著平行于該平面的軸旋轉,空氣相對于地平面作水準運動產生的地轉偏向力位于與地平面垂直的平面內,故隻有垂直地轉偏向力,而無水準地轉偏向力。由于極地地平面繞著垂直于該平面的軸旋轉,空氣相對于地平面作水準運動產生的地轉偏向力位于與轉動軸相垂直的同一水準面上,故隻有水準地轉偏向力,而無垂直地轉偏向力。在赤道與極地之間的各緯度上,地平面繞著平行于地軸的軸旋轉,軸與水準面有一定交角,既有繞平行于地平面旋轉的分量,又有繞垂直于地平面旋轉的分量,故既有垂直地轉偏向力,也有水準地轉偏向力。

產生原因

原因簡述如下:物體為保持水準慣性運動,經緯網因隨地球自轉而產生相對加速度。

下面是"算如流"給出的通俗解釋。首先要說明的是,地轉偏向力向右是在北半球,在南半球則都向左,當然這些向右向左都是相對于前進方向來說的,下面說的都是北半球的情況。

1.由于除南北兩極外,各緯度的角速度都一樣,從北向南飛的時候,南邊的圈大,即越向南緯線越長,所以線速度大,所以在北邊的時候具有的一個小的線速度與南邊的線速度相比就顯的慢了,所以其就由于慣性表現出往右偏。向北也一樣,由快的地方到慢的地方,速度"超前"了,前進方向上也就向右偏了。

2.沿緯線向東西方向飛,這時候由于萬有引力的方向指向地心,而緯圈轉的方向指向的圓心並不是地心,所以由于這個角度,萬有引力不能完全抵消你圍著緯線的圓心轉的那個離心力,所以一綜合,也會往右偏。

3.赤道不受地轉偏向力正是因為地心正好就是緯圈旋轉的圓心,二者重合了,正好重力可以抵消掉向外的力。 最後,南北兩極地轉偏向力最大。

George-Gate的《定性分析地轉偏向力》一文從科裏奧利力的角度分析得出:對于水準運動的物體,在北半球,其所受的地轉偏向力指向運動方向的右手邊,在南半球,地轉偏向力指向運動方向的左手邊;對于在豎直方向運動的物體,無論在哪個半球,若物體豎直向上運動,則地轉偏向力指向正西方,若物體豎直向下運動,則地轉偏向力指向正東方。對于一個做一般運動的物體,可將其速度分解成豎直方向和水準方向兩個分量,分別求出兩分速度對應的地轉偏向力後對兩力求矢量和。

科裏奧利效應

簡述

當空氣環繞著旋轉的地球表面遠距離移動時,它最初的向東的動量在地表開始改變。我們知道,地球是由西向東旋轉的,赤道地區旋轉的線速度最大,隨著緯度越高,線速度越來越小,到了極點減為零。構想空氣從低緯度地區移向北極:在最初,空氣是具有與源地相同的向東速度的;當空氣接近極點時,在那兒的地球轉動為零,而這股空氣卻繼續保持著它原來的向東的動量(假設沒有因為摩擦而耗損的話),于是它會相對于目的地的地表轉向東面。這樣,即使空氣以相當直的路線越過緯線向極地方向前進,相對于地球,它看起來會是同時朝東轉向越過經線。

地轉偏向力

一個名叫古斯塔·加斯佩德·科裏奧利的法國人在1835年最先用數學方法描述了這種效應,所以科學界用他的姓氏來命名此種力。我們通常也稱它為地轉偏向力。在北半球,科裏奧利力使風向右偏離其原始的路線;在南半球,這種力使風向左偏離。風速越大,產生的偏離越大。于是,在北半球,當空氣向低壓中心輻合時會向右彎曲,形成了一個逆時針方向的旋轉氣流。從高壓中心輻散出來的空氣,則因為向右彎曲而形成了順時針方向的旋風。我們把逆時針旋轉的叫做氣旋,把順時針旋轉的叫做反氣旋。在南半球,上述的情形正好相反。

對風的影響

科裏奧利效應使風在北半球向右轉,在南半球向左轉。此效應在極地處最明顯,在赤道處則消失。

如果沒有地球的旋轉,風將會從極地高壓吹向赤道低壓地區。

科裏奧利效應在極地最顯著,向赤道方向逐漸減弱直到消失在赤道處。這就是為什麽台風隻能形成在5緯度以上的地區,而通常不能形成于赤道附近。

對其他運動物體的影響

科裏奧利力不僅僅對風產生影響,任何一個環繞地表的遠距離運動都會受到它的捉弄。在一戰期間,德軍用他們引以自豪的射程為113千米的大炮轟擊巴黎時,懊惱地發現炮彈總是向右偏離目標。直到那時為止,他們從沒擔心過科裏奧利力的影響,因為他們從沒有這樣遠距離的開火。

當然,對于近距離的運動,科裏奧利力影響極小。從場地一邊把籃球拋到另一邊的運動員,考慮科裏奧利力的影響而需要調整自己投球的偏移量為1.3釐米。當你拔掉盥洗池的橡皮塞時,會發現有時水流並不是逆時針旋轉流走的,因為科裏奧利力幾乎沒有足夠的時間來影響水這樣短距離的運動,水流的形態更多地受到水池形狀或者水龍頭噴射角度的影響。

價值套用

在大氣層的高處,科裏奧利效應是一個重要的因素。在大約5500米或更高的地方,空氣沒有與大山、樹木的摩擦,它能夠不斷地增強力量並達到驚人的速度。當氣壓差不斷地把這些風推向低壓地區時,空氣就會受科裏奧利力的影響而轉向,最終會沿著等壓線吹動。

定位風暴19世紀比利時氣象學家白貝羅套用科裏奧利效應找出一條規律,發現最近的風暴:在北半球,當你背風而立,風暴在你的左側;在南半球,則在你的右側。

相關計算

存在條件:非赤道地區對于地面擁有水準運動方向速度分量的物體

大小:

f=2mvωsinφ(後附證明)

m為物體質量

f為地轉偏向力的大小

v為物體的水準運動速度分量

ω為地球自轉的角速度

sin是正弦函式

φ為物件所處的緯度

方向

垂直于物體速度的水準分量方向,北半球向右,南半球向左

地理意義

對于洋流,河流,風及其他具有水準運動的事物產生影響。

有關生活

沿地表水準運動的物體在地轉偏向力的作用下運動方向發生了偏移,使許多自然現象都受其影響,同時也影響著人類的生產和生活,請看下面五例:(以北半球為例)

水漩渦的形成

當我們開啟水龍頭向塑膠桶中註水時,當水庫放水(放水口在水下)時,水槽放水時等,都會看到在水面形成漩渦。註水時呈順時針旋轉,放水時呈逆時針旋轉。當向桶中註水時,水從註水點向四周流動,北半球在地轉偏向力的作用下右偏,漩渦呈順時針方向旋轉。南半球則呈逆時針方向旋轉。放水時表面水都流向下層出水點,北半球在地轉偏向力的作用下右偏,漩渦呈逆時針方向旋轉。南半球則呈順時針方向旋轉。

不過江河中的漩渦不一定符合這一規律,因為它還受到河床特征的影響。

車輛和行人靠右行

不是所有的國家或地區的車輛和行人都靠右行,但靠右行是最為合理的。如下圖:

地轉偏向力

A圖為靠左行,北半球車輛在地轉偏向力的作用下右偏,都偏向道路中間,更容易與對面過來的車輛相撞,發生車禍的頻率會更高。B圖為靠右行,北半球車輛在地轉偏向力的作用下右偏,都偏向路邊,路邊是司機開車註意力的集中點,司機會不斷調整方向來保證行車安全。

車輛靠右行導致人也靠右行,這樣更安全些。由于長期習慣,所以人們無論在哪裏行走都喜歡右行。

跑道上逆時針跑行

在跑道上跑行,人們總喜歡沿逆時針方向。如下圖:

地轉偏向力

A人是逆時針方向跑,正好在彎道處。從圖上可以看出,地轉偏向力向外,身體傾斜產生一個向內的向心力,二力方向相反,更易平衡,過彎道處不易跌倒。B人是順時針方向跑,也正好在彎道處。從圖上可以看出,地轉偏向力和身體傾斜產生一個向內的向心力方向相同,不易平衡,過彎道處易跌倒。

人類的發源地都在北半球,人們長期受地轉偏向力的影響形成了這一習慣,所以哪怕到了南半球,人們還是習慣于這樣的行為。

機械設備順時針旋轉

我們所見到的電扇、電機、柴油機、水輪機等都是順時針旋轉。如下圖:

地轉偏向力

從圖上可以看出,在北半球順時針旋轉,地轉偏向力指向軸心,由于物質的向心作用,使機械設備更耐用、更牢固。而逆時針旋轉時地轉偏向力指向外,由于物質的離心運動,機械設備易損壞,使用壽命縮短。

總的來說要看到一個微弱的東西產生的效應,最好的辦法在大尺度和長時間的過程裏邊觀察它。

古語有雲,"水滴石穿",隻要時間夠長,沒有什麽效應是觀察不到的。比如說河流,一刻不停流淌了千百年的河流,在科裏奧利力的作用下河水總是傾向于向右偏,于是河流的右岸總是被沖刷的,而左岸由于沒那麽多河水沖向它,流速較慢,所以經常有沙石堆積。再比如說鐵路,每天都有成百上千噸重量的火車在上面沿著同一個方向以一百來公裏一小時的速度飛馳著,這樣日積月累也會產生磨損。而人們發現在北半球,右軌磨損得總是比左軌要厲害那麽一點點,原因就是火車在行走的時候會受到向右的科裏奧利力的作用,這樣的話右軌要承擔的壓力就比左軌要大那麽一點,于是磨損當然也就更厲害了。

如果在大尺度上觀察的話,科裏奧利力也會現出原形。我在沿海地區長大,一年少說也會經歷好幾次台風。如果我們從衛星雲圖上面看的話,所有在北半球的台風都是向外順時針旋轉的,這就是科裏奧利力玩的把戲。在地面附近,台風中心處的氣壓會特別低,所以風是向台風中心吹的。而當這麽多空氣跑到台風的中心之後,它們也沒地方去,所以就一直沿著風眼的壁旋轉著向上爬,然後就到達頂端了【註2】。在頂端它們也還是沒有地方好去,之後向外吹了。這時候,科裏奧利力就過來幹涉了,使氣流的方向逐漸向右偏移,于是我們就能在衛星雲圖上看到這個被自己向外吹成了順時針的台風了。

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