科里奥利效应 :移动物体旋转坐标系中偏转

更新时间:2023-08-15 18:42

科里奥利效应(Coriolis effect)指的是一种在旋转坐标系中国移动的物体发生偏转的现象。这种效应最早于1835年由法国人古斯塔·加斯佩德·科里奥利用数学方法来描述,所以气象学家用他的姓氏命名此种效应。

北半球,科里奥利效应使风向右偏离其原始的路线;在南半球,这种效应使风向左偏离。风速越快,产生的偏离越大。于是,在北半球,空气移向低压中心并向右弯曲,形成了一个逆时针方向的气旋式气流。从高压地区或从反气旋移动出来的空气,也向右弯曲,形成了一个顺时针方向旋风。在南半球,则正好相反。

名词概述

如果一个物体是静止的,或者相对于某点作恒速运动,那么,在这个物体上运动是不会出现什么问题的。如果你想从物体一端的A点沿直线走到另一端的B点,在走的过程中不会感到有任何困难。但如果一个物体的不同部分以不同的速度运动,情况就大不一样了。假定有一个旋转游戏台或者任何一个绕其中心旋转的平台,整个平台的整体在旋转,但在中心附近的一点画出一个小圈,因而在缓慢地运动,而靠近外缘的一点则画出一个大圈,因而在快速地运动。

假定你站在中心附近的那个点上,想要直接从中心出发的一条直线上走向靠近外缘的那个点。在中心附近的出发点上,你取得了该点的速度,缓慢地运动。但是,当你向外走时,惯性效应使你保持缓慢运动,不过,当你越往外走的时候,你脚下的台面转动得越快:你本身的慢速和台面的快速的结合,使你觉得你在被推向与旋转运动相反的那个方向去。如果旋转游戏台是在逆时针方向转动,你就会发现,当你向外走时,你的路线越来越明显地顺时针方向弯曲。如果你从靠近外缘的一点出发向内行进,你就会保持着出发点的快速运动,但你脚下的台面运动得越来越慢。因此,你会觉得自己在旋转方向上被越推越远。如果旋转游戏台是逆时针方向运动,那么,你的路线会再次越来越明显地顺时针方向弯曲。

如果你从靠近中心的一点出发,向靠近外缘的一点走去,然后回头向靠近中心的一点走去,而且沿着阻力最小的路径前进,你就会发现,你走的路径大体上是一个圆形。

1835年,法国物理学家古斯塔夫·科里奥利第一次详细地研究了这一现象,因此这种现象被称为“科里奥利效应”。也有人把它称为“科里奥利力”,但它并不真是一种力,只是惯性的结果而已。

重要意义

在日常生活中,科里奥利效应最重大意义的是同旋转着的地球有关。地球表面赤道上的一个点,在24小时内划出一个大圆圈,因此它是在快速地运动。如果我们从赤道出发,越向北(或向南)走,那么,地面的一个点在一天之内划出的圆圈就越小,它也运动得就越慢。

热带向北流动的一阵风或一股海流,起初随着地球的旋转,从西向东转动得非常快。当它向北流动时,它保持着它的速度,而地表的运动速度却越来越小。因此,风或海流就会超过地表,并且越来越向东沿着曲线前进。最后,风或海流就在北半球顺时针方向划一个大圆圈,而在南半球则反时针方向划一个大圆圈。

正是这种造成曲线运动的科里奥利效应,在极端情况下,就会形成飓风,如果还要更极端的话,就会形成龙卷风

地球自转偏向力,又叫地转偏向力,是科里奥利效应造成的一种现象。它指的是由于地球沿着其倾斜的主轴自西向东旋转而产生的偏向力,使得在北半球所有移动的物体包括气团等向右偏斜,而南半球的所有移动物体向左偏斜的现象。

生活现象

以下为一些日常生活中的跟科里奥利效应有关的现象。

1)不自觉地偏右走

我国地处北半球,物体在地面上运动,受地转偏向力作用而自行向右偏转,这种现象在日常生活中还从来没有观察到。人在走路时,也从来不会不自觉地偏到右边去。这完全是因为地转偏向力很小,其效应被其他作用力的效应所掩盖。地转偏向力的效应只有在长时间累积的条件下,才容易察觉。

2)柏尔定律

该定律是自然地理中一条著名的、从实际观察总结出来的规律,即河流靠近赤道一岸比较陡削。这可以由地转偏向力得到说明,河水在地转偏向力作用下,对靠近赤道一岸冲刷甚于另一岸,长期积累的结果,靠近赤道一岸比较陡峭。

3)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、北半球纬度附近的副热带高气压带带,南、北半球纬度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

4)气旋和反气旋

气旋与反气旋是大气中最常见的运动形式,也是影响天气变化的重要天气系统。在气压梯度力和地转偏向力的共同作用下,大气并不是径直对准低气压中心流动,也不是沿辐射方向从高气压中心流出。低气压的气流在北半球向右偏转成按顺时针方向流动的大旋涡,在南半球向左转成按逆时针方向流动的大旋涡,大气的这种流动很象江河海流中水的旋涡,所以又叫气旋。夏秋季节,在我国东南沿海经常出现的台风,就是热带气旋强烈发展的一种形式。高气压的气流在北半球按顺时针方向旋转流出,在南半球按逆时针方向旋转流出,高气压的这种环流系统叫反气旋。

5)傅科摆

地球的自转对秒摆的运动也会产生影响,单摆的振动平面将沿顺时针方向不断偏转。1851年,傅科在巴黎的教堂用摆长67m,摆球为直径略大于30cm的铁球,总质量为28kg的单摆验证了地球的自转,单摆振动时所画出的随圆长轴等于3m,摆的振动周期为16s,随圆旋转的周期为32h。在历史上,傅科以此第一次验证了地球的自转。

6)复线火车

我国地处北半球,火车在行驶中受地转偏向力作用,因而对右轨压力大于左轨压力,普通单轨铁路上经常有相反方向的火车行驶,其左右正好相反,结果使两轨磨损差不多相同。由于受火车发展历史的影响,调度员用来指挥火车开、停、允许不允许进站等的行车信号都设在火车前进方向的左侧路边,因而复线火车都是靠左行。火车由于受到指向运动右侧的地转偏向力,而使双线铁路上靠左走的火车所受的地转偏向力均指向内侧。设一列火车质量为2000t,速度为20m/s,列车所在地点的纬度为,地转偏向力的水平分量大小,这只相当于列车自重的万分之二,仅为列车所受阻力的百分之几。这样大小的力,其作用效果只能表现为右轨磨损较甚,而不会使复线上相向而行的两列火车相撞。

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