邮发代码:82-418   刊号:ISSN1671-4350   定价:10.00

[去科技馆学科学]神奇的科里奥利力——从傅科摆到气旋

陈明晖/中国科学技术馆

2018-07/总第268期

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随着各种天气活动的变化,你可曾关注过天气预报中的气象云图,云图中北半球的气旋往往是逆时针旋转,而南半球的气旋却是顺时针转动,这是为什么呢?原来这是受到了地球自转偏向力,也就是科里奥利力的影响,其表现是在旋转运动的体系中,由于惯性,原本进行直线运动的物体,总是相对于旋转体系产生运动方向偏移。那么,科里奥利力到底是如何影响运动方向的呢?


在中国科技馆“探索与发现”A厅的“运动之律”展区,就有这样3件展品——“科里奥利力喷泉”“傅科摆”和“傅科摆小实验”,会带你领略科里奥利力的奥秘。

科里奥利力喷泉

展品“科里奥利力喷泉”主要由可旋转的转台、水流喷射装置(喷泉)和操作手轮组成,如图1所示。可进行水流喷射的喷泉装置位于可旋转的转台上,分为由外向内喷射和由内向外喷射2组。当你转动手轮使转台旋转时,喷泉开始喷水,这时可以看到旋转中的喷泉水流都发生了偏转,内、外喷泉水流的偏转方向相反。如果反向转动手轮,转台开始反向转动,这时内、外喷泉水流的偏转方向也相应发生反向,且二者偏转的方向依然相反。转台转动的速度越快,水流偏转就越厉害。当转台停止转动时,内、外喷泉水流不再发生偏转。以上现象如图2所示。那么,科里奥利力到底是一种什么样的力,又是怎样使转动的喷泉水流发生偏转的呢?

图1 展品“科里奥利力喷泉”结构示意图.jpg

图1 展品“科里奥利力喷泉”结构示意图

图2 科里奥利力喷泉水流偏转现象示意图.jpg

图2 科里奥利力喷泉水流偏转现象示意图


这里,我们通过图3进行分析。当忽略摩擦力时,在顺时针旋转的圆盘中,从A点沿圆盘直径方向以速度Vr向B点抛出小球。A、B两点都在圆盘上做旋转的圆周运动,二者都有沿转动方向的切向速度Va和Vb,且切向速度的大小正比于距离中心点的距离,Va>Vb。这样,抛出的小球在从A运动到B的过程中,从圆盘上沿途路过的点来看,小球具有的初始切向速度Va相对于沿途点在切向运动方向上是逐渐向前超越的,二者的速度差即Va-Vb正比于向中心运动的距离而越来越大。这样,从转动的圆盘来看,抛出的小球在沿切向方向做匀加速运动(每个瞬间),根据牛顿第二定律对加速度的解释,这等效有个惯性力切向作用于抛出的小球上(沿Va的方向)。反之,如果从B点向A点抛出小球,从转动圆盘上沿途的点来看小球在沿切线方向减速运动,等效惯性力的方向就与转动的切向方向相反了。这种在转动参考系中观察到的运动物体(由于转动参考系中各点的线速度不同而产生)的加速现象就是科里奥利效应,产生此效应的虚拟的惯性力叫科里奥利力,这是1835年由法国气象学家科里奥利提出的。科里奥利力和离心力一样是一种惯性力,并不是一种真实的力,而是一种效应力。

你可以用上面的方法分析展品“科里奥利力喷泉”的情况,就会发现它与实际现象一致。

图3 科里奥利力惯性力原理示意图.jpg

图3 科里奥利力惯性力原理示意图


气旋是大气中常见的运动形式,也是影响天气变化的重要天气系统。在气压梯度力和地球自转产生的科里奥利力的共同作用下,大气并不是径直对准低气压中心流动。如图4所示,地球自西向东自转,低气压气流在北半球向右偏转成按逆时针方向流动的大旋涡(即气旋),在南半球向左偏转成按顺时针方向流动的大旋涡。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表现形式。

图4 北半球气旋形成示意图.jpg

图4 北半球气旋形成示意图


科里奥利力不仅会影响大气,还会影响地面上的河流。在北半球,河水在地转偏向力作用下,对右岸冲刷甚于左岸,长期积累的结果,右岸比较陡峭;而在南半球,河水对左岸冲刷较厉害,这就是地理学中著名的柏而定律。科里奥利力对铁路的影响是:在北半球,行驶的火车对右边铁轨内侧磨损得更厉害,相应的,火车的右侧车轮也会磨损得更多些;而在南半球,它却使左边铁轨内侧磨损得更厉害。科里奥利力在军事中也有影响,“一战”期间,德国为轰炸巴黎曾专门制造了一门超远程的“巴黎大炮”——炮身重达750吨,初速度达到1.7千米/秒。但是,令人们感到奇怪的是,当德国军队从110千米外用巴黎大炮轰击巴黎时,炮弹竟偏离了目标约1.6千米。你应该能够猜到,这个大炮的炮弹肯定是偏向了射击方向的右侧,就像逆时针旋转的科里奥利力喷泉一样。这些射程超远的远程大炮和弹道导弹,在计算弹道时一定要考虑到科里奥利力的影响,它在南北半球射击时的偏转和修正方向正好相反,神奇吧!

傅科摆

展品“傅科摆”由悬吊的摆锤、地球模型、环形刻度盘等装置组成,如图5所示。它通过电动装置摆锤起摆后,在地球模型上往复摆动,摆动一端经过的刻度时间会亮起。刻度盘一圈标有37个刻度,如果你长期观察,会发现傅科摆摆动的平面在沿逆时针慢慢扭动,逐渐点亮所有经过点的刻度灯光,37个小时后摆动面扭动1周后回到最开始的摆动位置。

图5 展品“傅科摆”结构示意图.jpg

图5 展品“傅科摆”结构示意图


摆锤可以看作一种往复转动的陀螺,在地球上的摆动会受到地球自转的影响,只要摆面即陀螺转动的平面与地球自转的角速度方向存在一定的夹角,摆面就会受到科里奥利力的影响,而产生一个与地球自转方向相反的扭矩,从而使得摆面发生转动,这就像陀螺倾斜的自转轴也会绕竖直中心轴转动的现象一样。1851年,法国物理学家傅科预言了这种现象的存在,并且用实验证明了这种现象,他用1根长67米的钢丝绳和1枚28千克的金属球组成1个单摆,在摆锤下镶嵌了1个指针,将这个巨大的单摆悬挂在教堂穹顶之上摆动,证实了在北半球摆面会缓缓向右旋转(傅科摆随地球自转)。由于傅科首先提出并完成了这一实验,因而该实验被命名为傅科摆实验。

傅科摆小实验

展品“傅科摆小实验”由带有启动按钮的2组装置组成,其中一组装置包含1个左右平移的活动板和1个逆时针旋转的活动板,分别代表赤道和南极点附近的运动;相似的另一组装置同样包含1个左右平移的活动板和1个顺时针旋转的活动板,分别代表赤道和北极点附近的运动。活动板上都装有支架悬挂着金属球,如图6所示。按下启动按钮后,活动板分别开始左右水平移动或者顺(逆)时针方向转动,这时拉起悬挂在支架上的金属球,再松开手后观察金属球摆动的过程,你会发现,代表在赤道位置(平板左右移动)上摆动的小球摆动平面相对于活动板没有变化,而代表南北极位置(平板旋转)处摆动的小球摆动平面相对于活动板发生了扭动,顺时针旋转的北极活动板上的摆动平面相对活动板发生逆时针扭转,逆时针旋转的南极活动板上的摆动平面相对于活动板发生了顺时针扭转。

图6 展品“傅科摆小实验”结构示意图.jpg

图6 展品“傅科摆小实验”结构示意图

现在,你见识到科里奥利力的神奇了吧!那么请你思考:在旋转的产生人造引力的太空站中,科里奥利力将会发挥怎样的影响呢?

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