科里奧利效應

科里奧利效應

科里奧利效應(Coriolis effect)如果一個物體是靜止的,或者相對於某一固定點作恆速運動,那么,在這個物體上運動是不會出現什麼問題的。如果你想從物體一端的A點沿著一條直線走到另一端的B點, 你在走的過程中不會感到有任何困難。

名詞概述

科里奧利效應(Coriolis effect)如果一個物體是靜止的,或者相對於某一固定點作恆速運動,那么,在這個物體上運動是不會出現什麼問題的。如果你想從物體一端的A點沿著一條直線走到另一端的B點,你在走的過程中不會感到有任何困難。但是,如果一個物體的不同部分以不同的速度運動,那么,情況就大不一樣了,假定有一個鏇轉遊戲台或者任何一個繞其中心鏇轉的平台。整個平台的整體在鏇轉,但在中心附近的一點畫出一個小圈,因而在緩慢地運動,而靠近外緣的一點則畫出一個大圈,因而在快速地運動。

科里奧利效應 科里奧利效應

假定你站在中心附近的那個點上,想要直接從中心出發的一條直線上走向靠近外緣的那個點。在中心附近的出發點上,你取得了該點的速度,緩慢地運動。但是,當你向外走時,慣性效應使你保持緩慢運動,不過,當你越往外走的時候,你腳下的台面轉動得越快:你本身的慢速和台面的快速的結合,使你覺得你在被推向與鏇轉運動相反的那個方向去。如果鏇轉遊戲台是在逆時針方向轉動,你就會發現,當你向外走時,你的路線越來越明顯地順時針方向彎曲。如果你從靠近外緣的一點出發向內行進,你就會保持著出發點的快速運動,但你腳下的台面運動得越來越慢。因此,你會覺得你在鏇轉方向上被越推越遠。如果鏇轉遊戲台是逆時針方向運動,那么,你的路線會再次越來越明顯地順時針方向彎曲。

如果你從靠近中心的一點出發,向靠近外緣的一點走去,然後回頭向靠近中心的一點走去,而且沿著阻力最小的路徑前進,你就會發現,你走的路徑大體上是一個圓形。

法國物理學家科里奧利於1835年第一次詳細地研究了這種現象,因此這種現象稱為“科里奧利效應”。有人把它稱為“科里奧利力”,但它並不真是一種力,它只不過是慣性的結果。

意義

科里奧利效應 科里奧利效應

科里奧利效應在日常生活中最重大的意義,是同鏇轉著的地球有關。地球表面赤道上的一個點,在24小時內劃一個大圓圈,因此它是在快速地運動)如果我們從赤道出發,越向北(或向南)走,那么,地面的一個點在一天之內劃出的圓圈就越小,它也運動得就越慢。

從熱帶向北流動的一陣風或一股海流,起初隨著地球的鏇轉,從西向東轉動得非常快。當它向北流動時,它保持著它的速度,而地表的運動速度卻越來越小。因此,風或海流就會超過地表,並且越來越向東沿著曲線前進。最後,風或海流就在北半球順時針方向劃一個大圓圈,而在南半球則反 時針方向劃一個大圓圈。

正是這種造成曲線運動的科里奧利效應,在非常集中(因而非常有力)時,就會形成颶風,如果還要更加集中和更加有力,就會形成龍捲風。

地球自轉偏向力,又叫地轉偏向力,是科里奧利效應造成的一種現象。它指的是由於地球沿著其傾斜的主軸自西向東鏇轉而產生的偏向力,使得在北半球所有移動的物體包括氣團等向右偏斜,而南半球的所有移動物體向左偏斜的現象。

生活現象

下面介紹一些現實生活中受科里奧利力影響形成的現象:我國地處北半球,物體在地面上運動,受地轉偏向力作用而自行向右偏轉,這種現象在日常生活中還從來沒有觀察到。人在走路時,也從來不會不自覺地偏到右邊去。這完全是因為地轉偏向力很小,其效應被其他作用力的效應所掩蓋。地轉偏向力的效應只有在長時間累積的條件下,才容易察覺。

用科里奧利效應可以解釋以下現象及理論:

1.柏而定律:該定律是自然地理中一條著名的、從實際觀察總結出來的規律,即河流靠近赤道一岸比較陡削。這可以由地轉偏向力得到說明,河水在地轉偏向力作用下,對靠近赤道一岸沖刷甚於另一岸,長期積累的結果,靠近赤道一岸比較陡峭。

2.大氣環流:大氣運動的能量來源於太陽輻射,氣壓梯度力是大氣運動的源動力。全球共有赤道低壓帶,南、北半球緯度30°附近的副熱帶高壓帶,南、北半球緯度60°附近的副極地低壓帶,南、北半球的極地高壓帶等七個氣壓帶。氣壓帶之間在氣壓梯度力和地轉偏向力的作用下形成了低緯環流圈、中緯環流圈和高緯環流圈。由於受地轉偏向力的作用,南北向的氣流卻發生了東西向的偏轉。北半球地面附近自北向南的氣流,有朝西的偏向。在氣壓帶之間形成了六個風帶,即南、北半球的低緯信風帶,南、北半球的中緯西風帶,南、北半球的極地東風帶。

3.氣鏇和反氣鏇:氣鏇與反氣鏇是大氣中最常見的運動形式,也是影響天氣變化的重要天氣系統。在氣壓梯度力和地轉偏向力的共同作用下,大氣並不是徑直對準低氣壓中心流動,也不是沿輻射方向從高氣壓中心流出。低氣壓的氣流在北半球向右偏轉成按順時針方向流動的大鏇渦,在南半球向左轉成按逆時針方向流動的大鏇渦,大氣的這種流動很象江河海流中水的鏇渦,所以又叫氣鏇。夏秋季節,在我國東南沿海經常出現的颱風,就是熱帶氣鏇強烈發展的一種形式。高氣壓的氣流在北半球按順時針方向鏇轉流出,在南半球按逆時針方向鏇轉流出,高氣壓的這種環流系統叫反氣鏇。

4.傅科擺:地球的自轉對單擺的運動也會產生影響,單擺的振動平面將沿順時針方向不斷偏轉。傅科1851年在巴黎的教堂用擺長67m,擺球為直徑略大於30cm的鐵球,總質量為28kg的單擺驗證了地球的自轉,單擺振動時所畫出的隨圓長軸等於3m,擺的振動周期為16s,隨圓鏇轉的周期為32h。在歷史上,傅科以此第一次驗證了地球的自轉。

5.複線火車:我國地處北半球,火車在行駛中受地轉偏向力作用,因而對右軌壓力大於左軌壓力,普通單軌鐵路上經常有相反方向的火車行駛,其左右正好相反,結果使兩軌磨損差不多相同。由於受火車發展歷史的影響,調度員用來指揮火車開、停、允許不允許進站等的行車信號都設在火車前進方向的左側路邊,因而複線火車都是靠左行。火車由於受到指向運動右側的地轉偏向力,而使複線鐵路上靠左走的火車所受的地轉偏向力均指向內側。設一列火車質量為2000t,速度為20m/s,列車所在地點的緯度為45°,地轉偏向力的水平分量大小FC=2mVωsin45°=4123N,這隻相當於列車自重的萬分之二,僅為列車所受阻力的百分之幾。這樣大小的力,其作用效果只能表現為右軌磨損較甚,而不會使複線上相向而行的兩列火車相撞。

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