地球自轉偏向力∕科里奧利力(科氏力)

科里奧利力

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科里奧利力或又簡稱為科氏力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由於慣性相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。





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1 概述

1.1 認識歷史
1.2 物理學中的科里奧利力
2 科里奧利力產生的影響

2.1 在地球科學領域

2.1.1 傅科擺
2.1.2 信風與季風
2.1.3 熱帶氣旋
2.2 對分子光譜的影響
3 科里奧利力的應用

3.1 質量流量計
3.2 陀螺儀
4 參見



[編輯] 概述

[編輯] 認識歷史


圖片參考：http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b6/Corioliskraftanimation.gif



圖片參考：http://zh.wikipedia.org/skins-1.5/common/images/magnify-clip.png
旋轉體系中質點的直線運動
科里奧利力是以牛頓力學為基礎的。1835年，法國氣象學家科里奧利提出，為了描述旋轉體系的運動，需要在運動方程中引入一個假想的力，這就是科里奧利力。引入科里奧利力之後，人們可以像處理慣性系中的運動方程一樣簡單地處理旋轉體系中的運動方程，大大簡化了旋系的處理方式。由於人類生活的地球本身就是一個巨大的旋轉體系，因而科里奧利力很快在流體運動領域取得了成功的應用。

[編輯] 物理學中的科里奧利力
科里奧利力來自於物體運動所具有的慣性，在旋轉體系中進行直線運動的質點，由於慣性的作用，有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢，但是由於體系本身是旋轉的，在經歷了一段時間的運動之後，體系中質點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉體系的視角去觀察，就會發生一定程度的偏離。
如右圖所示，當一個質點相對於慣性系做直線運動時，相對於旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足於旋轉體系，我們認為有一個力驅使質點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。
根據牛頓力學的理論，以旋轉體系為參照系，這種質點的直線運動偏離原有方向的傾向被歸結為一個外加力的作用，這就是科里奧利力。從物理學的角度考慮，科里奧利力與離心力一樣，都不是真實存在的力，而是慣性作用在非慣性系內的體現。
科里奧利力的計算公式如下:


圖片參考：http://upload.wikimedia.org/math/3/4/2/34280d6f070df70af3dea2c45dfa9dff.png

式中
圖片參考：http://upload.wikimedia.org/math/9/e/e/9eedd61e32f7a8e70e171028a7e5dc08.png
表示兩個向量的外積符號。

[編輯] 科里奧利力產生的影響

[編輯] 在地球科學領域
由於自轉的存在，地球並非一個慣性系，而是一個轉動參照系，因而地面上質點的運動會受到科里奧利力的影響。地球科學領域中的地轉偏向力就是科里奧利力在沿地球表面方向的一個分力。地轉偏向力有助於解釋一些地理現象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

[編輯] 傅科擺
擺動可以看作一種往複的直線運動，在地球上的擺動會受到地球自轉的影響。只要擺面方向與地球自轉的角速度方向存在一定的夾角，擺面就會受到科里奧利力的影響，而產生一個與地球自轉方向相反的扭矩，從而使得擺面發生轉動。1851年法國物理學家傅科預言了這種現象的存在，並且以實驗證明了這種現象，他用一根長67米的鋼絲繩和一枚27千克的金屬球組成一個單擺，在擺垂下鑲嵌了一個指針，將這個巨大的單擺懸掛在教堂穹頂之上，實驗證實了在北半球擺面會緩緩向右旋轉。由於傅科首先提出並完成了這一實驗，因而實驗被命名為傅科擺實驗。

[編輯] 信風與季風
地球表面不同緯度的地區接受陽光照射的量不同，從而影響大氣的流動，在地球表面延緯度方向形成了一系列氣壓帶，如所謂「極地高氣壓帶」、「副極地低氣壓帶」、「副熱帶高氣壓帶」等。在這些氣壓帶壓力差的驅動下，空氣會沿著經度方向發生移動，而這種沿經度方向的移動可以看作質點在旋轉體系中的直線運動，會受到科里奧利力的影響發生偏轉。由科里奧利力的計算公式不難看出，在北半球大氣流動會向右偏轉，南半球大氣流動會向左偏轉，在科里奧利力、大氣壓差和地表摩擦力的共同作用下，原本正南北向的大氣流動變成東北－西南或東南－西北向的大氣流動。
隨著季節的變化，地球表面延緯度方向的氣壓帶會發生南北漂移，於是在一些地方的風向就會發生季節性的變化，即所謂季風。當然，這也必須牽涉到海陸比熱差異所導致氣壓的不同。
科里奧利力使得季風的方向發生一定偏移，產生東西向的移動因素，而歷史上人類依靠風力推動的航海，很大程度上集中於延緯度方向，季風的存在為人類的航海創造了極大的便利，因而也被稱為貿易風。

[編輯] 熱帶氣旋
馬桶下水方向與科氏力有關 熱帶氣旋(北太平洋上出現的稱為颱風)的形成也受到科里奧利力的影響。驅動熱帶氣旋運動的原動力一個低氣壓中心與周圍大氣的壓力差，周圍大氣中的空氣在壓力差的驅動下向低氣壓中心定向移動，這種移動受到科里奧利力的影響而發生偏轉，從而形成旋轉的氣流，這種旋轉在北半球沿著逆時針方向而在南半球沿著順時針方向，由於旋轉的作用，低氣壓中心得以長時間保持。

[編輯] 對分子光譜的影響
科里奧利力會對分子的振動轉動光譜產生影響。分子的振動可以看作質點的直線運動，分子整體的轉動會對振動產生影響，從而使得原本相互獨立的振動和轉動之間產生耦合，另外由於科里奧利力的存在，原本相互獨立的振動模之間也會發生能量的溝通，這種能量的溝通會對分子的紅外光譜和拉曼光譜行為產生影響。

[編輯] 科里奧利力的應用
人們利用科里奧利力的原理設計了一些儀器進行測量和運動控制。

[編輯] 質量流量計
質量流量計讓被測量的流體通過一個轉動或者振動中的測量管，流體在管道中的流動相當於直線運動，測量管的轉動或振動會產生一個角速度，由於轉動或振動是受到外加電磁場驅動的，有著固定的頻率，因而流體在管道中受到的科里奧利力僅與其質量和運動速度有關，而質量和運動速度即流速的乘積就是需要測量的質量流量，因而通過測量流體在管道中受到的科里奧利力，便可以測量其質量流量。
應用相同原理的還有粉體定量給料秤，在這裡可以將粉體近似地看作流體處理。

[編輯] 陀螺儀
旋轉中的陀螺儀會對各種形式的直線運動產生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進行運動的測量與控制。

[編輯] 參見

科里奧利
地轉偏向力
慣性

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科里奧利力或又簡稱為科氏力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由於慣性相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。

概述


認識歷史

科里奧利力是以牛頓力學為基礎的。1835年，法國氣象學家科里奧利提出，為了描述旋轉體系的運動，需要在運動方程中引入一個假想的力，這就是科里奧利力。引入科里奧利力之後，人們可以像處理慣性系中的運動方程一樣簡單地處理旋轉體系中的運動方程，大大簡化了旋轉體系的處理方式。由於人類生活的地球本身就是一個巨大的旋轉體系，因而科里奧利力很快在流體運動領域取得了成功的應用。


物理學中的科里奧利力

科里奧利力來自於物體運動所具有的慣性，在旋轉體系中進行直線運動的質點，由於慣性的作用，有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢，但是由於體系本身是旋轉的，在經歷了一段時間的運動之後，體系中質點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉體系的視角去觀察，就會發生一定程度的偏離。

如右圖所示，當一個質點相對於慣性系做直線運動時，相對於旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足於旋轉體系，我們認為有一個力驅使質點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。

根據牛頓力學的理論，以旋轉體系為參照系，這種質點的直線運動偏離原有方向的傾向被歸結為一個外加力的作用，這就是科里奧利力。從物理學的角度考慮，科里奧利力與離心力一樣，都不是真實存在的力，而是慣性作用在非慣性系內的體現。

科里奧利力產生的影響

在地球科學領域

由於自轉的存在，地球並非一個慣性系，而是一個轉動參照系，因而地面上質點的運動會受到科里奧利力的影響。地球科學領域中的地轉偏向力就是科里奧利力在沿地球表面方向的一個分力。地轉偏向力有助於解釋一些地理現象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

科氏力:

地球環繞地軸逆時針自轉，由於地球是一球體，經度越趨向南北極越窄，因此在不同的緯度而言，都會有不同的自轉速度。在赤道的自轉速度為1600km/h，到達北緯60度時只有800km/h，在南北極為零。

現在假設有一空氣質點，自赤道上空向北移往北極，那麼，如果他起始時是和地球自轉速度同步(即本身有1600km/h的速度東移)，那麼，當他移到北緯60度時，他仍會有1600km/h的東移向量，這是因為他並不是在地面和地球同部自轉的原故，但相對於在地面上的觀察者來看，這個質點事實就向東偏移了，而且非線性地加速了800km/h，這正是相對速度的原因；即該質點相對於地面的靜止觀察者來說是加速了(實際上地面的觀察者和地球同步自轉)。

因此，對於地面觀察者來說，似乎有一股力作用在這個質點上而使其加速，這種力，就是所謂的地偏轉力或科氏力。

科氏力的數學方程為: f KV

其中K是質點向北移動的位移(南移則為負值)，V為速度。
f 為科氏參數 : 2ωsinΦ
當中ω是地球自轉的角速度，等如7.27x10-5 Rad/s，Φ是緯度。

由於所跟的是正弦(sine)的變化，因此可知科氏力在越高緯度的地方就越大。因此，在北半球，當質點自南向北移時，科氏力增加，於是向東偏轉。相反，當由北向南移時，科氏力減弱，於是向西偏轉。而南半球則偏轉的方向和北球球相反。

科氏力的存在，加上氣壓梯度力及摩擦力，就出現地面低氣壓的氣旋式輻合和高氣壓反氣旋式輻散的現象。在高空和氣壓梯度力平衡則出現地轉風現象。

科里奧利力或又簡稱為科氏力，是對旋轉體系中進行直線運動的質點由於慣性相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述。

概述


認識歷史

科里奧利力是以牛頓力學為基礎的。1835年，法國氣象學家科里奧利提出，為了描述旋轉體系的運動，需要在運動方程中引入一個假想的力，這就是科里奧利力。引入科里奧利力之後，人們可以像處理慣性系中的運動方程一樣簡單地處理旋轉體系中的運動方程，大大簡化了旋轉體系的處理方式。由於人類生活的地球本身就是一個巨大的旋轉體系，因而科里奧利力很快在流體運動領域取得了成功的應用。


物理學中的科里奧利力

科里奧利力來自於物體運動所具有的慣性，在旋轉體系中進行直線運動的質點，由於慣性的作用，有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢，但是由於體系本身是旋轉的，在經歷了一段時間的運動之後，體系中質點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉體系的視角去觀察，就會發生一定程度的偏離。

如右圖所示，當一個質點相對於慣性系做直線運動時，相對於旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足於旋轉體系，我們認為有一個力驅使質點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。

根據牛頓力學的理論，以旋轉體系為參照系，這種質點的直線運動偏離原有方向的傾向被歸結為一個外加力的作用，這就是科里奧利力。從物理學的角度考慮，科里奧利力與離心力一樣，都不是真實存在的力，而是慣性作用在非慣性系內的體現。

科里奧利力產生的影響

在地球科學領域

由於自轉的存在，地球並非一個慣性系，而是一個轉動參照系，因而地面上質點的運動會受到科里奧利力的影響。地球科學領域中的地轉偏向力就是科里奧利力在沿地球表面方向的一個分力。地轉偏向力有助於解釋一些地理現象，如河道的一邊往往比另一邊沖刷得更厲害。

傅科擺

擺動可以看作一種往複的直線運動，在地球上的擺動會受到地球自轉的影響。只要擺面方向與地球自轉的角速度方向存在一定的夾角，擺面就會受到科里奧利力的影響，而產生一個與地球自轉方向相反的扭矩，從而使得擺面發生轉動。1851年法國物理學家傅科預言了這種現象的存在，並且以實驗證明了這種現象，他用一根長67米的鋼絲繩和一枚27千克的金屬球組成一個單擺，在擺垂下鑲嵌了一個指針，將這個巨大的單擺懸掛在教堂穹頂之上，實驗證實了在北半球擺面會緩緩向右旋轉。由於傅科首先提出並完成了這一實驗，因而實驗被命名為傅科擺實驗。


信風與季風

地球表面不同緯度的地區接受陽光照射的量不同，從而影響大氣的流動，在地球表面延緯度方向形成了一系列氣壓帶，如所謂「極地高氣壓帶」、「副極地低氣壓帶」、「副熱帶高氣壓帶」等。在這些氣壓帶壓力差的驅動下，空氣會沿著經度方向發生移動，而這種沿經度方向的移動可以看作質點在旋轉體系中的直線運動，會受到科里奧利力的影響發生偏轉。由科里奧利力的計算公式不難看出，在北半球大氣流動會向右偏轉，南半球大氣流動會向左偏轉，在科里奧利力、大氣壓差和地表摩擦力的共同作用下，原本正南北向的大氣流動變成東北－西南或東南－西北向的大氣流動。

隨著季節的變化，地球表面延緯度方向的氣壓帶會發生南北漂移，於是在一些地方的風向就會發生季節性的變化，即所謂季風。當然，這也必須牽涉到海陸比熱差異所導致氣壓的不同。

科里奧利力使得季風的方向發生一定偏移，產生東西向的移動因素，而歷史上人類依靠風力推動的航海，很大程度上集中於延緯度方向，季風的存在為人類的航海創造了極大的便利，因而也被稱為貿易風。

熱帶氣旋

熱帶氣旋(北太平洋上出現的稱為颱風) 的形成也受到科里奧利力的影響。驅動熱帶氣旋運動的原動力一個低氣壓中心與周圍大氣的壓力差，周圍大氣中的空氣在壓力差的驅動下向低氣壓中心定向移動，這種移動受到科里奧利力的影響而發生偏轉，從而形成旋轉的氣流，這種旋轉在北半球沿著逆時針方向而在南半球沿著順時針方向，由於旋轉的作用，低氣壓中心得以長時間保持。

對分子光譜的影響

科里奧利力會對分子的振動轉動光譜產生影響。分子的振動可以看作質點的直線運動，分子整體的轉動會對振動產生影響，從而使得原本相互獨立的振動和轉動之間產生耦合，另外由於科里奧利力的存在，原本相互獨立的振動模之間也會發生能量的溝通，這種能量的溝通會對分子的紅外光譜和拉曼光譜行為產生影響。

科里奧利力的應用

人們利用科里奧利力的原理設計了一些儀器進行測量和運動控制。

質量流量計

質量流量計讓被測量的流體通過一個轉動或者振動中的測量管，流體在管道中的流動相當於直線運動，測量管的轉動或振動會產生一個角速度，由於轉動或振動是受到外加電磁場驅動的，有著固定的頻率，因而流體在管道中受到的科里奧利力僅與其質量和運動速度有關，而質量和運動速度即流速的乘積就是需要測量的質量流量，因而通過測量流體在管道中受到的科里奧利力，便可以測量其質量流量。

應用相同原理的還有粉體定量給料秤，在這裡可以將粉體近似地看作流體處理。

陀螺儀

旋轉中的陀螺儀會對各種形式的直線運動產生反映，通過記錄陀螺儀部件受到的科里奧利力可以進行運動的測量與控制。