地轉(zhuǎn)偏向力(共8頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上地轉(zhuǎn)偏向力地轉(zhuǎn)偏向力水平地轉(zhuǎn)偏向力亦稱地偏力，因為地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的以地球經(jīng)緯網(wǎng)為參照系的力。地轉(zhuǎn)偏向是科氏力(科里奧利力)在沿地球表面方向的一個分力。是常被引入的第3類慣性力，前兩類為平動慣性力和慣性離心力，當物體相對做勻速圓周的參考系有速度時，引入此力，由于比較復(fù)雜，很少被講到，所以經(jīng)常被人遺忘，表達式為f=2mvsin概述由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生作用于運動空氣的力，稱為地轉(zhuǎn)偏向力，簡稱偏向力。它只在物體相對于地面有運動時才產(chǎn)生(實際不存在)，只能改變(水平運動)物體運動的方向，不能改變物體運動的速率。地轉(zhuǎn)偏向力可分解為水平地轉(zhuǎn)偏向力和垂直地轉(zhuǎn)偏向力兩個分量。由于赤道上地

2、平面繞著平行于該平面的軸旋轉(zhuǎn)， 地轉(zhuǎn)偏向力空氣相對于地平面作水平運動產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力位于與地平面垂直的平面內(nèi)，故只有垂直地轉(zhuǎn)偏向力，而無水平地轉(zhuǎn)偏向力。由于極地地平面繞著垂直于該平面的軸旋轉(zhuǎn)，空氣相對于地平面作水平運動產(chǎn)生的地轉(zhuǎn)偏向力位于與轉(zhuǎn)動軸相垂直的同一水平面上，故只有水平地轉(zhuǎn)偏向力，而無垂直地轉(zhuǎn)偏向力。在赤道與極地之間的各緯度上，地平面繞著平行于地軸的軸旋轉(zhuǎn)，軸與水平面有一定交角，既有繞平行于地平面旋轉(zhuǎn)的分量，又有繞垂直于地平面旋轉(zhuǎn)的分量，故既有垂直地轉(zhuǎn)偏向力，也有水平地轉(zhuǎn)偏向力。 產(chǎn)生原因原因簡述如下：物體為保持水平慣性運動，經(jīng)緯網(wǎng)因隨地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相對加速度。 下面是“算如流”給出的

3、通俗解釋 地轉(zhuǎn)偏向力首先要說明的是，地轉(zhuǎn)偏向力向右是在北半球，在南半球則都向左，當然這些向右向左都是相對于前進方向來說的，下面說的都是北半球的情況。 1.由于各緯度的角速度都一樣，從北向南飛的時候，南邊的圈大，所以線速度大，所以在北邊的時候具有的一個小的線速度與南邊的線速度相比就顯的慢了，所以其就由于慣性表現(xiàn)出往右偏。向北也一樣，由快的地方到慢的地方，速度超前了，前進方向上也就向右偏了。 2.沿緯線向東西方向飛，這時候由于重力的方向指向地心，而緯圈轉(zhuǎn)的方向指向的圓心并不是地心，你可以好好想想，所以由于這個角度，向心力不能完全抵消你圍著緯線的圓心轉(zhuǎn)的那個離心力，所以一綜合，也會往右偏。 3.赤道

4、不受地轉(zhuǎn)偏向力正是因為地心正好就是緯圈旋轉(zhuǎn)的圓心，二者重合了，正好重力可以抵消掉向外的力。 最后，南北兩極地轉(zhuǎn)偏向力最大 科里奧利效應(yīng)簡述當空氣環(huán)繞著旋轉(zhuǎn)的地球表面遠距離移動時，它最初的向東的動量在地表開始改變。我們知道，地球是由西向東旋轉(zhuǎn)的，赤道地區(qū)旋轉(zhuǎn)的線速度最大，隨著緯度越高，線速度越來越小，到了極點減為零。設(shè)想空氣從低緯度地區(qū)移向北極：在最初，空氣是具有與源地相同的向東速度的；當空氣接近極點時，在那兒的地球轉(zhuǎn)動為零，而這股空氣卻繼續(xù)保持著它原來的向東的動量（假設(shè)沒有因為摩擦而耗損的話），于是它會相對于目的地的地表轉(zhuǎn)向東面。這樣，即使空氣以相當直的路線越過緯線向極地方向前進，相對于地球，

5、它看起來會是同時朝東轉(zhuǎn)向越過經(jīng)線。 一個名叫古斯塔加斯佩德科里奧利的法國人在1835年最先用數(shù)學(xué)方法描述了這種效應(yīng)，所以科學(xué)界用他的姓氏來命名此種力。我們通常也稱它為地轉(zhuǎn)偏向力。在北半球，科里奧利力使風(fēng)向右偏離其原始的路線；在南半球，這種力使風(fēng)向左偏離。風(fēng)速越大，產(chǎn)生的偏離越大。于是，在北半球，當空氣向低壓中心輻合時會向右彎曲，形成了一個逆時針方向的旋轉(zhuǎn)氣流。從高壓中心輻散出來的空氣，則因為向右彎曲而形成了順時針方向的旋風(fēng)。我們把逆時針旋轉(zhuǎn)的叫做氣旋，把順時針旋轉(zhuǎn)的叫做。在南半球，上述的情形正好相反。 對風(fēng)的影響科里奧利效應(yīng)使風(fēng)在北半球向右轉(zhuǎn)，在南半球向左轉(zhuǎn)。此效應(yīng)在極地處最明顯，在赤道處則消

6、失。 如果沒有地球的旋轉(zhuǎn)，風(fēng)將會從極地高壓吹向赤道低壓地區(qū)。 科里奧利效應(yīng)在極地最顯著，向赤道方向逐漸減弱直到消失在赤道處。這就是為什么只能僅僅使云形成在5緯度以上的地區(qū)。 對其他運動物體的影響科里奧利力不僅僅對風(fēng)產(chǎn)生影響，任何一個環(huán)繞地表的遠距離運動都會受到它的捉弄。在一戰(zhàn)期間，德軍用他們引以自豪的射程為113千米的大炮轟擊巴黎時，懊惱地發(fā)現(xiàn)炮彈總是向右偏離目標。直到那時為止，他們從沒擔(dān)心過科里奧利力的影響，因為他們從沒有這樣遠距離的開火。 當然，對于近距離的運動，科里奧利力影響極小。從場地一邊把籃球拋到另一邊的運動員，考慮科里奧利力的影響而需要調(diào)整自己投球的偏移量為1.3厘米。當你拔掉盥洗

7、池的橡皮塞時，會發(fā)現(xiàn)有時水流并不是逆時針旋轉(zhuǎn)流走的，因為科里奧利力幾乎沒有足夠的時間來影響水這樣短距離的運動，水流的形態(tài)更多地受到水池形狀或者水龍頭噴射角度的影響。 研究價值與應(yīng)用在大氣層的高處，科里奧利效應(yīng)是一個重要的因素。在大約5500米或更高的地方，空氣沒有與大山、樹木的摩擦，它能夠不斷地增強力量并達到驚人的速度。當氣壓差不斷地把這些風(fēng)推向低壓地區(qū)時，空氣就會受科里奧利力的影響而轉(zhuǎn)向，最終會沿著等壓線吹動。 定位風(fēng)暴 19世紀比利時氣象學(xué)家白貝羅應(yīng)用科里奧利效應(yīng)找出一條規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最近的風(fēng)暴：在北半球，當你背風(fēng)而立，風(fēng)暴在你的左側(cè)；在南半球，則在你的右側(cè)。 相關(guān)計算存在條件：非赤道地區(qū)對于

8、地面擁有水平運動方向速度分量的物體 大?。?f=2mvsin（后附證明） m為物體質(zhì)量 f為地轉(zhuǎn)偏向力的大小 v為物體的水平運動速度分量 為地球自轉(zhuǎn)的角速度 sin是正弦函數(shù) 為物件所處的緯度 方向 垂直于物體速度的水平分量方向，北半球向右，南半球向左 地理意義 對于洋流，河流，風(fēng)及其他具有水平運動的事物產(chǎn)生影響。 地轉(zhuǎn)偏向力與生活沿地表水平運動的物體在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下運動方向發(fā)生了偏移，使許多自然現(xiàn)象都受其影響，同時也影響著人類的生產(chǎn)和生活，請看下面五例：（以北半球為例） 水漩渦的形成當我們打開水龍頭向塑料桶中注水時，當水庫放水（放水口在水下）時，水槽放水時等，都會看到在水面形成。注水時呈

9、順時針旋轉(zhuǎn)，放水時呈逆時針旋轉(zhuǎn)。如下圖： 圖中虛線是表層水的原始流動方向，實線是水的實際流動方向。當向桶中注水時，水從注水點向四周流動，北半球在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下右偏，漩渦呈順時針方向旋轉(zhuǎn)。南半球則呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。放水時表面水都流向下層出水點，北半球在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下右偏，漩渦呈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。南半球則呈順時針方向旋轉(zhuǎn)。 不過江河中的漩渦不一定符合這一規(guī)律，因為它還受到河床特征的影響。 那么，馬桶沖水逆時針流的原因看來就是科里奧利力了？ 那倒未必。 我小的時候看科普書，也對文章開頭的說法深信不疑。直到有一天雨后，我看到樓下的沙井蓋上面兩個排水孔中水流的旋轉(zhuǎn)方向是一個順時針一個逆時針之后，我

10、就不再相信這種說法了。要是真的是科里奧利力導(dǎo)致的排水孔水流打轉(zhuǎn)的話，應(yīng)該兩個方向相同才對，怎么能一個順時針一個逆時針呢？ 但這只不過是一個例子，還不能說明所有排水孔水流旋轉(zhuǎn)方向都不是由科里奧利力引起的。但是我們只要稍微估算一下就會知道水流漩渦產(chǎn)生的原因是不是科里奧利力了。假設(shè)水流跑得跟劉翔差不多快，也就是10米每秒的樣子，而且速度完全平行于地面。即使這樣，水流受到的由于科里奧利力產(chǎn)生的加速度最多也只不過是0.001米每平方秒。如果馬桶的直徑有1米，而水流是從馬桶邊徑直沖向中心的話，到達中心的時候由于科里奧利力產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)還不到半毫米，根本就產(chǎn)生不出什么看得見摸得著的效應(yīng)，更何況是我們平時看見的漩

11、渦了。如果連在這個巨型馬桶中的高速水流都產(chǎn)生不出看得見的效應(yīng)的話，就更別說那些可憐的小馬桶和排水口了，沒戲的。 實際上，排水口和馬桶們產(chǎn)生漩渦的原因多半是由于它們自身的構(gòu)造問題。有的馬桶就是特地設(shè)計漩渦式?jīng)_水的，這樣的話無論你把它挪到地球上什么地方它都只能產(chǎn)生同一個方向的漩渦。而對于一般的排水口，由于結(jié)構(gòu)，有時候它們會偏好形成某個方向的漩渦，而更多的時候是兩種旋轉(zhuǎn)方向的漩渦都會出現(xiàn)，不信你試試就知道了。 車輛和行人靠右行不是所有的國家或地區(qū)的車輛和行人都靠右行，但靠右行是最為合理的。如下圖： A圖為靠左行，北半球車輛在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下右偏，都偏向道路中間，更容易與對面過來的車輛相撞，發(fā)生車禍

12、的頻率會更高。B圖為靠右行，北半球車輛在地轉(zhuǎn)偏向力的作用下右偏，都偏向路邊，路邊是司機開車注意力的集中點，司機會不斷調(diào)整方向來保證行車安全。 車輛靠右行導(dǎo)致人也靠右行，這樣更安全些。由于長期習(xí)慣，所以人們無論在哪里行走都喜歡右行。 左右鞋磨損程度不同這種現(xiàn)象現(xiàn)代人已經(jīng)難看到，因為一雙鞋穿的時間太短，表現(xiàn)不明顯。我想40歲以上的人對這個現(xiàn)象還記憶猶新。如下圖： 這是由于兩只鞋的受力差異而形成的。在北半球，由于地轉(zhuǎn)偏向力作用于右側(cè)，所以人們常發(fā)現(xiàn)右鞋磨損比左鞋要多些；而南半球由于地轉(zhuǎn)偏向力作用于左側(cè)，所以左鞋磨損比右鞋要多些。 跑道上逆時針跑行在跑道上跑行，人們總喜歡沿逆時針方向。如下圖： A人是

13、逆時針方向跑，正好在彎道處。從圖上可以看出，地轉(zhuǎn)偏向力向外，身體傾斜產(chǎn)生一個向內(nèi)的向心力，二力方向相反，更易平衡，過彎道處不易跌倒。B人是順時針方向跑，也正好在彎道處。從圖上可以看出，地轉(zhuǎn)偏向力和身體傾斜產(chǎn)生一個向內(nèi)的向心力方向相同，不易平衡，過彎道處易跌倒。 人類的發(fā)源地都在北半球，人們長期受地轉(zhuǎn)偏向力的影響形成了這一習(xí)慣，所以哪怕到了南半球，人們還是習(xí)慣于這樣的行為。 機械設(shè)備都是順時針旋轉(zhuǎn)我們所見到的電扇、電機、柴油機、水輪機等都是順時針旋轉(zhuǎn)。如下圖： 從圖上可以看出，在北半球順時針旋轉(zhuǎn)，地轉(zhuǎn)偏向力指向軸心，有于物質(zhì)的向心作用，使機械設(shè)備更耐用、更牢固。而逆時針旋轉(zhuǎn)時地轉(zhuǎn)偏向力指向外，有

14、于物質(zhì)的離心運動，機械設(shè)備易損壞，使用壽命縮短。 總的來說要看到一個微弱的東西產(chǎn)生的效應(yīng)，最好的辦法在大尺度和長時間的過程里邊觀察它。 古語有云，“水滴石穿”，只要時間夠長，沒有什么效應(yīng)是觀察不到的。比如說河流，一刻不停流淌了千百年的河流，在科里奧利力的作用下河水總是傾向于向右偏，于是河流的右岸總是被沖刷的，而左岸由于沒那么多河水沖向它，流速較慢，所以經(jīng)常有沙石堆積。再比如說鐵路，每天都有成百上千噸重量的火車在上面沿著同一個方向以一百來公里一小時的速度飛馳著，這樣日積月累也會產(chǎn)生磨損。而人們發(fā)現(xiàn)在北半球，右軌磨損得總是比左軌要厲害那么一點點，原因就是火車在行走的時候會受到向右的科里奧利力的作用

15、，這樣的話右軌要承擔(dān)的壓力就比左軌要大那么一點，于是磨損當然也就更厲害了。 如果在大尺度上觀察的話，科里奧利力也會現(xiàn)出原形。我在沿海地區(qū)長大，一年少說也會經(jīng)歷好幾次臺風(fēng)。如果我們從衛(wèi)星云圖上面看的話，所有在北半球的臺風(fēng)都是向外順時針旋轉(zhuǎn)的，這就是科里奧利力玩的把戲。在地面附近，臺風(fēng)中心處的氣壓會特別低，所以風(fēng)是向臺風(fēng)中心吹的。而當這么多空氣跑到臺風(fēng)的中心之后，它們也沒地方去，所以就一直沿著風(fēng)眼的壁旋轉(zhuǎn)著向上爬，然后就到達頂端了【注2】。在頂端它們也還是沒有地方好去，之后向外吹了。這時候，科里奧利力就過來干涉了，使氣流的方向逐漸向右偏移，于是我們就能在衛(wèi)星云圖上看到這個被自己向外吹成了順時針的臺

16、風(fēng)了。 附：關(guān)于科里奧利力的較嚴格的數(shù)學(xué)證明（自我研究結(jié)果，僅供參考，不具權(quán)威性） 首先將運動分為緯線（速度記為vx，正方向與地球自轉(zhuǎn)方向相同）和經(jīng)線（速度記為vy，正方向自南向北），并設(shè)地球半徑為R，地球角速度為，物體質(zhì)量為m，緯度為（北緯正值，南緯負值），一切計算忽略公轉(zhuǎn)。 緯線方向若物體靜止，則其相對于太陽速度為v0=*R*cos 受向心力fn0=v02/(R*cos )*m 又此時相對地球靜止，因此所受合力即為向心力fn0，該力 與大地平行方向上的分力 即為 向心力在與大地平行方向上的分力，也即fn0*sin 當物體沿緯線方向以速度vx運動時，相對于太陽速度為v=vx+v0 受向心力f

17、n=(vx+v0)2/(R*cos )*m 此時所受地球的引力、支持力等合力在與大地平行方向上不變，仍為fn0*sin 。但向心力已變?yōu)閒n*sin 。 若以地球為非慣性參考系，則該物體受到慣性力：fn=fn*sin -fn0*sin 由得：fn=(2vx*v0+vx2)/(R*cos )*m 又因為vxv0，所以fn2*vx*v0/(R*cos )*m*sin =2*vx*m*sin 方向與fn方向相反，即北半球向右，南半球向左 經(jīng)線方向（僅供參考，不熟悉微積分的可跳過直接看定性的分析） 對緯度為的物體，其所在緯度線速度為v0=*R*cos 以為自變量，對v0求導(dǎo)得dv0=-*R*sin d 對于沿經(jīng)線運動的物體，其經(jīng)線方向的角速度=d/dt=vy/R 帶入得dv0=-vy*sin dt 整理即a=dv0/dt=-vy*sin 又物體沿經(jīng)線的速度v也是隨地球自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動的，加速度為v*sin ，證明同向心加速度，此處略 這是地球相對于物體的加速度，則物體相對于地球的加速度為a=vy*sin +v*sin =2*vy*sin 這就是科里奧利力產(chǎn)生的加速度，則科里奧利力為f=m*a=2vy*m*sin 方向與地球