对科氏加速度的认识

对科氏加速度的认识

内容摘要：本文先简介了科里奥利其人，交代了科氏加速度的发现过程，又从不同方面解释了科氏加速度。通过一些常见的生活常识及生产应用的举例，说明了科里奥利加速度的普遍性和意义。

一．科学家的发现

科里奥利，法国物理学家。1792年5月21日生于巴黎；1843年9月19日卒于巴黎。科里奥利是巴黎工艺学院的教师，长期健康状况不佳，这限制了他创造能力的发挥。即便如此，他的名字在物理学中仍是不可磨灭的。 1835年，他着手从数学上和实验上研究自旋表面上的运动问题。地球每24小时自转一周。赤道面上的一点，在此时间内必须运行25，000英里，因此每小时大约向东运行1，000英里。在纽约纬度地面上的一点，一天只需行进19，000英里，向东运行的速度仅约为每小时800英里。由赤道向北流动的空气，保持其较快的速度，因此相对于它下面运动较慢的地面而言会向东行。水流的情况也是一样。因此，空气和水在背向赤道流动时好像被推向东运动，反之会向西运动,这样会形成一个圆!推动它们运动的力就称为科里奥利力。这种力不是真实存在的!只是"惯性"这种性质的表现而已.正是这种"力"造成了飓风和龙卷风的旋转运动。研究大炮射击、卫星发射等技术问题时，必须考虑到这种力。

二．科氏加速度的定义

科氏加速度----是动点的转动与动点相对运动相互耦合引起的加速度。科氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。

A.理论解读

物理上，“有力就产生加速度，相反有加速度就会有产生它的力”这句话，是在“惯性参照系”当中来说的。而科氏力（或科氏加速度）是在非惯性系当中的概念。所以它的本质上还是一种惯性力，是参照系本身施加给它的。

B.形象理解

用2维的方式比较容易理解些。设想，你坐在一个圆盘上，但并不知道它在转动。这时有个球从圆心开始向外移动，并且圆盘和球之间无摩擦，这时从外面的参照系看球应该走直线，但是你坐在圆盘上看，球就在不断往一个方向弯了。这种感觉的本质就是——圆周运动不是惯性运动，因此在圆周运动的参照系下，就会出现这种明明没受力，却好像是受了力的感觉。

地球也是个做圆周运动的物体，因此你站在地球上，本身也是个非惯性系，但我们常把它当惯性系来考虑。这样当我们要精确研究一个物体在自由落体或其他运动时，就会发现它在往一边偏，这便是地球上的科氏加速度的由来。不过这个力（加速度）很小，一般计算中不考虑

三．生活中的柯里奥利现象

*地理

1.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30°附近的副热带高压带，南、北半球纬度60°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。

2.柏而定律：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，即北半球河流右岸比较陡削，南半球则左岸比较陡削。这可以由地转偏向力得到说明，北半球河水在地转偏向力作用下，对右央求冲刷甚于左岸，长期积累的结果，右岸比较陡峭。

3.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逆时针方向流动的大旋涡，在南半球向左转成按顺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，在南北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.

*物理

1.傅科摆：地球的自转对单摆的运动也会产生影响，单摆的振动平面将顺时针方向不断偏转。傅科1851年在巴黎的教堂第一次用摆长达67m，摆球为

直径略大于30m的铁球，质量为28kg，单摆振动时所画出的随圆长轴等于3m，摆的振动周期为16s，而随圆旋转的周期则为32h。在历史上，傅科以此第一次显示了地球的自转。

2.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，而使复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45°，地转偏向力的水平分量大小: FC水平=2mVωsin45°=4.1×103N 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。

四．科里奥利加速度的前沿应用

a 科里奥利质量流量计

科氏质量流量计是一种用于直接测量质量流量的流量计，它在原理上消除了温度、压力、流体状态、密度等参数的变化对测量精度的影响，可以适应气体、液体、两相流、高黏度流体和糊状介质的测量，是一种高精度的适应范围很广的测量方法，只是科氏质量流量计的精度要随纬度变化面调整．它还具有压力损失小，自排空，保持清洁等众多特点，是流量测量的发展方向之一[5~7]．

科氏质量流量计的原理，实质是利用一个弹性体的共振特性：对有流体流动和无流体流动的振动金属管元件，测定其动态响应特性，求出此谐振系统的相位差与质量流量之间的关系．而有流体流动的金属管元件谐振的动态响应特性，与无流体流动的金属管的动态响应特性之间的差别是由于科氏效应起的．所谓科氏效应，是指当质点在一个转动参考系内作相对运动时，会产生一种不同于通常离心力的惯性力作用在此质点上．其大小与方向可用2，芴炕来表示，利用上述原理的弹性元件构成的流量计就称为科氏质量流量计．

科技文献：《地球概论教学参》应振华陕西师范大学出版社

《质量流量计中的相位差检测方法研究》仝猛，任萍

《新世纪物理学》吴大江著北京邮电大学出版社

刘璐

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