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第一传奇:科里奥利力

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发表于 2020-10-8 08:08:56 | 显示全部楼层 |阅读模式
科氏力是以法国科学家科里奥利(Gustave Gaspard de Coriolis17921843)命名的,科氏意思就是姓科的,不过科里奥利(Coriolis)整体是姓,因此科氏力准确的说应该是科里奥利力(Coriolis Force)。
运动学中与科里奥利相关的有三个概念:科里奥利效应,科里奥利加速度,科里奥利力,科里奥利效应是通过科里奥利加速度和科里奥利力来体现的。在理论力学中,主要讨论科里奥利加速度,科里奥利力似乎在气象学中用的多。
1835年,科里奥利在研究水轮车中发现除了离心力还有另外一种“复合离心力”,就是我们现在所说的科里奥利力,有人把这种现象称为科里奥利效应。不过,人们对这种效应的认识最初来自对地球是否自转的争辩。
为了支持地心说,1651年意大利天文学家和天主教神父Giovanni Battista Riccioli 和他的助手 Francesco Maria Grimaldi进行了反证法。他们假设如果地球是自转的,那么向北发射的炮弹会偏转(因为地球转动了),不可以命中目标;而向东/西发射的炮弹(顺着地球转动的方向)就可以命中目标。然后指出在实际中显然缺少这样的证据,从而反对日心说,坚持地球在宇宙中心保持不动的观点。

另外一个比较著名的例子是,法国牧师、数学家1674年Claude François Milliet Dechales 在他的Cursus seu Mundus Mathematicus中反驳说如果地球自转的话必然会可以引起的落体和炮弹轨迹偏转。例如他描述落体运动,假设地球在运动,地球的塔也会转动,由于塔顶会比地基运动的快(离地心比地基远),如下图所示,从塔顶上扔下一个球,就不会掉在地基处,而应该是在地基的东边。他说这也不符合实际。
实际上,飞行的炮弹、以及高处落下的球的确会受到科里奥利力作用,只不过这种影响很小而已,以当时的测量技术还不易观察到。虽然,Riccioli,Grimaldi和Dechales等人胡说一气,设想出了如果地球自转的效应以证明地球不动,但是,这在客观上却为发现地球自转、以及讨论转动系统上运动物体的规律提供了思路。

世纪末,科里奥利力成为气象学中的重要概念,气象学中的台风旋转方向、沿等压线运动的气旋等,都需要借助于科里奥利力来解释。
对于科里奥利力和科里奥利加速度,有一点需要特别强调,两者的方向是相反的。在学习中必须注意科里奥利力是惯性力,所谓惯性力就是保持物体原有状态的力,因此如果物体要向左加速,其惯性力就向右。惯性力就像离心力一样,是一种虚拟的力。
北半球台风逆时针旋转,就是因为台风眼是一个低压区,当四面八方的风吹向低压区时,由于科里奥利力的存在就发生了偏转,并且在离心力、科里奥利力、风压等作用下形成一种稳定的旋转结构。

科里奥利力在我们日常生活也存在一定的影响,例如我们行走中就会受到科里奥利力,有人计算过一个70kg的人以2m/s行走的人,其受到的科里奥利力约为0.0016N,每小时会偏差15度。为此我们的右脚一直要用力不断的矫正,因此右边的鞋子通常会磨损的厉害一些!

据说人还会产生科里奥利加速度错觉,例如,人在行驶的车辆中扭头时会失去方向感。记得在学驾照时,教练让观察停车线在窗户上出现的位置停车,很多人会紧盯窗户观察停止线,随着停止线在窗户上的移动,头就做了旋转运动,产生科里奥利加速度错觉,车也就在不知不觉的向左偏向。飞行员翻转训练中要做针对性的训练,口诀为:看外不动内,动内不看外(看外边就不做动作,做动作就不看外边)。驾驶员应该记住这个口诀,以防科里奥利加速度错觉。


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