科里奥利力及自然界中的科里奥利效应

科里奥利力及自然界中的科里奥利效应北京理工大学，马凡杰，02111001，1120100239摘要：解释科里奥利力的成因、自然界中的现象，说明其应用与危害。关键词：科里奥利力；旋转体系；偏转无论是央视的《城市之间》，还是芒果台的《快乐大本营》，我们常常在节目中看到这样的游戏项目：选手奔跑着穿过旋转着的游戏台，却一个个以奇怪的姿势摔倒，引来哄堂大笑；也许你会觉得他们的平衡感实在不佳，并自豪地认为自己绝对没有问题，但只有亲身体验过后，你才会知道小脑的无辜——都是科里奥利力在作怪！一、何谓科里奥利力？科里奥利力（CoriolisForce），简称科氏力，1835年由法国物理学家科里奥利第一次详细进行了阐述。科氏力源于物体运动所具有的惯性，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。根据牛顿力学的理论，为了在非惯性参照系中使用牛顿运动第二定律，我们需要假想一个附加力——惯性力；当以旋转体系为参照系时，质点的直线运动偏离原有方向的倾向同样被归结为一个外加（惯性）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一样，都不是真实存在的力，而是惯性作用在非惯性系内的体现。形象的解释也许更便于理解：当你站在旋转中的游戏台的中央，沿着阻力最小的方向“缓慢”（以确保不会摔倒——或者说保持“平衡”）走向边缘后再返回，你会发现自己在旋转方向上被越推越远，走过的路径大体上是一个圆形。这是由于人处在转动系中时所认为的匀速直线运动与惯性系中的匀速直线运动不同所致。对于转动系中的人来说，匀速直线运动是指物体相对于转盘的速度不变的运动。而对于在惯性系中的人来说，匀速直线运动是指相对地面速度不变的运动。由此，我们也可借此求得科氏力的公式：式中为科里奥利力；为质点的质量；为质点在旋转体系中的运动速度；为旋转体系的角速度。二、生活中的科氏力现实生活中的许多自然现象都是科里奥利力在开玩笑。由于自转的存在，地球并非一个惯性系，而是一个转动参照系，因而地面上质点的运动会受到科里奥利力的影响——就像游戏中的旋转台。地球科学领域中的“地转偏向力”就是科里奥利力在沿地球表面方向上的一个分力。此理论可以很好的将洗衣机、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。另外，在赤道处做水平运动的物体,科氏力没有水平分量,原来静水下泄就不会有旋涡。由此可以推测：在赤道上，抽水马桶无漩涡，水是垂直留下的（挺诡异的感觉……）；同样的道理，龙卷风可以通过赤道,但很难在赤道附近引发龙卷风。科氏力引发了我们对交通制度的思考。我们日常见到的道路大多是中间高,两边低些,这样可以利于排水；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。我们国家地处北半球,在汽车行驶的过程中,还会受到向右的科氏力的作用,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。相反的,香港执行“靠左行驶”的规则（源自英国），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。但是改变行驶的靠侧便可以使行驶变得更加安全，这就是物理的魅力吧！三、科氏力的应用人们利用科里奥利力的原理设计了一些仪器进行测量和运动控制，质量流量计便是一例。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计。参考文献：[1]吴新华,李宏伟.浅谈科里奥利力的影响及应用.河北北方学院学报（自然科学版）Vol.24,No.1,Feb,2008:36-38[2]姚士淮.科里奥利力产生的物理分析.大学物理No.5，1985[3]贺蜀山,林顺洪,刘安明.趣谈科氏加速度.科技咨询导报No.01,2007:96-97