|
地砖偏向力 大家在高中地理课本上，一定学习过有关地转偏向力的知识。而且还可能听说过，根据马桶里水的漩涡的偏转方向，可以判断是身处北半球还是南半球。 因为地转偏向力的作用方向，在北半球是垂直于运动方向向右，南半球是向左。所以，地转偏向力影响下的水或风的漩涡，在北半球是逆时针，南半球是顺时针。 其实，这是不对的。因为地转偏向力是一个非常小的力。如果我们的马桶不规则、内壁不足够光滑，或者出水口的形状不规则等等，这些细小的扰动，都要比地转偏向力的影响大的多。一些无法预料的、随机的微小扰动，就会引起水流的微小偏转。微小偏转一旦形成，无论是逆时针还是顺时针，就会在惯性离心力等其他力的作用下放大，形成大的偏转，进而形成漩涡。所以，大家如果仔细观察的话，在北半球马桶里水的漩涡方向，有时是顺时针的，有时是逆时针的，根本不能确定。 地转偏向力，也叫科里奥利力，是法国科学家科里奥利首先发现并研究它的。那么地转偏向力到底是怎么一回事呢？大家是不是不太好理解？今天，我们尝试用非常通俗易懂的方式，来描述一下这个科里奥利力。首先，科里奥利力不是一种我们中学物理课程中的一种常见力的形式，因为我们找不见施力物体。更形象的说，它是使地球表面运动物体偏离原来的运动方向的效应。因为经典物理学中力是使物体运动状态发生改变的原因，这一概念深入人心且在经典理论框架中是正确的，所以既然物体的运动方向发生了改变，就肯定受了某种力，我们就称之为地转偏向力。 大家应该都能想象到这样一种情景，一根绳子的一头拴着个重物，另一头在你手里，然后你把它抡起来，重物开始做圆周运动。这个重物有远离你而去的趋势，因为绳子牵绊着，才没有远离你而去。假设这跟绳子有弹性，当绳子上的力量减小了，重物速度不变的话就会远离你一些，就像是有一个力在往外推重物一样；当绳子力的力量不变，重物速度变小的话就会靠近你一些，就像是有一个力在往内推重物一样。但是，这两种情况下，有没有这个力呢？没有，只是出现了这样一种效应。 我们都知道，整个地球在围绕地轴自西向东自转。我呢，现在身在潍坊文华高中。很显然，这里是北半球。以地轴为参照系，我也在随着地面绕地轴作自西向东的圆周运动。大家还记得高中物理的受力分析吗？那我现在所受的合力，应该是一个方向指向地轴，大小为我的质量m乘以地球自转在潍坊的线速度的平方、再除以我到地轴的垂直距离。这就是一个简单的匀速圆周运动嘛，我所受的这个合力，就是向心力。 现在呢，我准备分别向东西南北四个方向运动。先往北走吧，正北方向，坐着轨道光滑的列车，走到北极点停下来，看看北极熊。大家想一下，因为跟随地球自转的角速度是一样的，但线速度因为圆周运动的半径也就是到地轴的距离缩短，一直在减小，到北极点减小到零。 自西向东的线速度减小到零，肯定是受到了一个自东向西的作用力，这个力来自于地面的摩擦力。大家肯定会想，这个力是自东向西，那不是垂直于运动方向向左了吗？但是同学们，这个不是科里奥利力，或者说不是科里奥利效应。因为我受到了这个向左的作用力，所以才保持了方向正北的直线运动到达北极点的，那说明我有一个向右偏转的趋势，要不然在向左的力的作用下，我就要向左偏了啊。这个运动物体的向右偏转的趋势，才是科里奥利力，或者更确切地叫科里奥利效应。我坐着火车，有路轨的约束，给了火车和我向左的作用力，才不至于向右偏转的。如果是洋流呢，大气呢，没有约束，或者约束力度很小，那就要向右偏转了。 再说说向东运动的情况吧。假设我在潍坊静止不动，那么我相对于地轴的速度就是跟随地球一起自转的线速度，这个时候我收到的向心力和我的这个线速度是匹配的。当我以一定的速度向东运动，则线速度增大了，那我做圆周运动的半径，也会有增大的趋势。那大家想象在这种情况下，我是不是要往右侧偏呢？也就是往低纬度、圆周运动半径更大的方向偏转。 向南运动的情况，别越过赤道，在北半球，是和向北运动的情况差不多的，我们可以自己想象一下。 可能这会儿有的同学会认为向西运动的情况，也是和向东运动差不多嘛。当我们向西运动时，做圆周运动的线速度，是地球自转的线速度，再减去我们相对于地表的运动速度，那就是减小了嘛。线速度小了，圆周运动的半径就有减小的趋势，那就是往高纬度偏转，也就是向西方向的右侧。在我们向西运动的速度不是非常大时，这当然没问题。而且地球上的运动物体，水或空气，速度都没有足够大。但当速度足够大时，情况就不一样了。 所以问题就是，如果在北半球，向西运动的物体，如果速度足够大，受到的科里奥利力是垂直于运动方向向左的，这是为什么呢？ |
|
|
