地转偏向力.doc

地转偏向力
水平地转偏向力亦称地偏力，因为地球自转而产生的以地球经纬网为参照系的力。地转偏向是科氏力(科里奥利力)在沿地球表面方向的一个分力。是常被引入的第3类惯性力，前两类为平动惯性力和惯性离心力，当物体相对做匀速圆周的参考系有速度时，引入此力，由于比较复杂，很少被讲到，所以经常被人遗忘，表达式为f=2mvωsinφ

概述
由于地球自转而产生作用于运动空气的力，称为地转偏向力，简称偏向力。它只在物体相对于地面有运动时才产生(实际不存在)，只能改变(水平运动)物体运动的方向，不能改变物体运动的速率。地转偏向力可分解为水平地转偏向力和垂直地转偏向力两个分量。由于赤道上地平面绕着平行于该平面的轴旋转， 地转偏向力
空气相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力位于与地平面垂直的平面内，故只有垂直地转偏向力，而无水平地转偏向力。由于极地地平面绕着垂直于该平面的轴旋转，空气相对于地平面作水平运动产生的地转偏向力位于与转动轴相垂直的同一水平面上，故只有水平地转偏向力，而无垂直地转偏向力。在赤道与极地之间的各纬度上，地平面绕着平行于地轴的轴旋转，轴与水平面有一定交角，既有绕平行于地平面旋转的分量，又有绕垂直于地平面旋转的分量，故既有垂直地转偏向力，也有水平地转偏向力。

产生原因
　　原因简述如下：物体为保持水平惯性运动，经纬网因随地球自转而产生相对加速度。 　　下面是“算如流”给出的通俗解释 地转偏向力
首先要说明的是，地转偏向力向右是在北半球，在南半球则都向左，当然这些向右向左都是相对于前进方向来说的，下面说的都是北半球的情况。 　　1.由于各纬度的角速度都一样，从北向南飞的时候，南边的圈大，所以线速度大，所以在北边的时候具有的一个小的线速度与南边的线速度相比就显的慢了，所以其就由于惯性表现出往右偏。向北也一样，由快的地方到慢的地方，速度‘超前’了，前进方向上也就向右偏了。 　　2.沿纬线向东西方向飞，这时候由于重力的方向指向地心，而纬圈转的方向指向的圆心并不是地心，你可以好好想想，所以由于这个角度，向心力不能完全抵消你围着纬线的圆心转的那个离心力，所以一综合，也会往右偏。 　　3.赤道不受地转偏向力正是因为地心正好就是纬圈旋转的圆心，二者重合了，正好重力可以抵消掉向外的力。 最后，南北两极地转偏向力最大

科里奥利效应
简述
　　当空气环绕着旋转的地球表面远距离移动时，它最初的向东的动量在地表开始改变。我们知道，地球是由西向东旋转的，赤道地区旋转的线速度最大，随着纬度越高，线速度越来越小，到了极点减为零。设想空气从低纬度地区移向北极：在最初，空气是具有与源地相同的向东速度的；当空气接近极点时，在那儿的地球转动为零，而这股空气却继续保持着它原来的向东的动量（假设没有因为摩擦而耗损的话于是它会相对于目的地的地表转向东面。这样，即使空气以相当直的路线越过纬线向极地方向前进，相对于地球，它看起来会是同时朝东转向越过经线。 　　一个名叫古斯塔·加斯佩德·科里奥利的法国人在1835年最先用数学方法描述了这种效应，所以科学界用他的姓氏来命名此种力。我们通常也称它为地转偏向力。在北半球，科里奥利力使风向右偏离其原始的路线；在南半球，这种力使风向左偏离。风速越大，产生的偏离越大。于是，在北半球，当空气向低压中心辐合时会向右弯曲，形成了一个逆时针方向的旋转气流。从高压中心辐散出来的空气，则因为向右弯曲而形成了顺时针方向的旋风。我们把逆时针旋转的叫做气旋，把顺时针旋转的叫做反气旋。在南半球，上述的情形正好相反。
对风的影响
　　科里奥利效应使风在北半球向右转，在南半球向左转。此效应在极地处最明显，在赤道处则消失。 　　如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地区。 　　科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消失在赤道处。这就是为什么台风只能仅仅使云形成在5纬度以上的地区。
对其他运动物体的影响
　　科里奥利力不仅仅对风产生影响，任何一个环绕地表的远距离运动都会受到它的捉弄。在一战期间，德军用他们引以自豪的射程为113千米的大炮轰击巴黎时，懊恼地发现炮弹总是向右偏离目标。直到那时为止，他们从没担心过科里奥利力的影响，因为他们从没有这样远距离的开火。 　　当然，对于近距离的运动，科里奥利力影响极小。从场地一边把篮球抛到另一边的运动员，考虑科里奥利力的影响而需要调整自己投球的偏移量为1.3厘米。当你拔掉盥洗池的橡皮塞时，会发现有时水流并不是逆时针旋转流走的，因为科里奥利力几乎没有足够的时间来影响水这样短距离的运动，水流的形态更多地受到水池形状或者水龙头喷射角度的影响。
研究价值与应用
在大气层的高处，科里奥利效应是一个重要的因素。在大约5500米或更高的地方，空气没有与大山、树木的摩擦，它能够不断地增强力量并达到惊人的速度。当气压差不断地把这些风推向低压地区时，空气就会受科里奥利力的影响而转向，最终会沿着等压线吹动。 　　
定位风暴
19世纪比利时气象学家白贝罗应用科里奥利效应找出一条规律，发现最近的风暴：在北半球，当你背风而立，风暴在你的左侧；在南半球，则在你的右侧。
相关计算
　　存在条件：非赤道地区对于地面拥有水平运动方向速度分量的物体 　　大小： 　　f=2mvωsinφ（后附证明） 　　m为物体质量 　　f为地转偏向力的大小 　　v为物体的水平运动速度分量 　　ω为地球自转的角速度 　　sin是正弦函数 　　φ为物件所处的纬度 　　方向 　　垂直于物体速度的水平分量方向，北半球向右，南半球向左 　　地理意义 　　对于洋流，河流，风及其他具有水平运动的事物产生影响。
地转偏向力与生活
　　沿地表水平运动的物体在地转偏向力的作用下运动方向发生了偏移，使许多自然现象都受其影响，同时也影响着人类的生产和生活，请看下面五例：（以北半球为例）
水漩涡的形成
　　当我们打开水龙头向塑料桶中注水时，当水库放水（放水口在水下）时，水槽放水时等，都会看到在水面形成漩涡。注水时呈顺时针旋转，放水时呈逆时针旋转。如下图： 　　图中虚线是表层水的原始流动方向，实线是水的实际流动方向。当向桶中注水时，水从注水点向四周流动，北半球在地转偏向力的作用下右偏，漩涡呈顺时针方向旋转。南半球则呈逆时针方向旋转。放水时表面水都流向下层出水点，北半球在地转偏向力的作用下右偏，漩涡呈逆时针方向旋转。南半球则呈顺时针方向旋转。 　　不过江河中的漩涡不一定符合这一规律，因为它还受到河床特征的影响。 　　那么，马桶冲水逆时针流的原因看来就是科里奥利力了？ 　　那倒未必。 　　我小的时候看科普书，也对文章开头的说法深信不疑。直到有一天雨后，我看到楼下的沙井盖上面两个排水孔中水流的旋转方向是一个顺时针一个逆时针之后，我就不再相信这种说法了。要是真的是科里奥利力导致的排水孔水流打转的话，应该两个方向相同才对，怎么能一个顺时针一个逆时针呢？ 　　但这只不过是一个例子，还不能说明所有排水孔水流旋转方向都不是由科里奥利力引起的。但是我们只要稍微估算一下就会知道水流漩涡产生的原因是不是科里奥利力了。假设水流跑得跟刘翔差不多快，也就是10米每秒的样子，而且速度完全平行于地面。即使这样，水流受到的由于科里奥利力产生的加速度最多也只不过是0.001米每平方秒。如果马桶的直径有1米，而水流是从马桶边径直冲向中心的话，到达中心的时候由于科里奥利力产生的偏转还不到半毫米，根本就产生不出什么看得见摸得着的效应，更何况是我们平时看见的漩涡了。如果连在这个巨型马桶中的高速水流都产生不出看得见的效应的话，就更别说那些可怜的小马桶和排水口了，没戏的。 　　实际上，排水口和马桶们产生漩涡的原因多半是由于它们自身的构造问题。有的马桶就是特地设计漩涡式冲水的，这样的话无论你把它挪到地球上什么地方它都只能产生同一个方向的漩涡。而对于一般的排水口，由于结构，有时候它们会偏好形成某个方向的漩涡，而更多的时候是两种旋转方向的漩涡都会出现，不信你试试就知道了。
车辆和行人靠右行
　　不是所有的国家或地区的车辆和行人都靠右行，但靠右行是最为合理的。如下图： 　　A图为靠左行，北半球车辆在地转偏向力的作用下右偏，都偏向道路中间，更容易与对面过来的车辆相撞，发生车祸的频率会更高。B图为靠右行，北半球车辆在地转偏向力的作用下右偏，都偏向路边，路边是司机开车注意力的集中点，司机会不断调整方向来保证行车安全。 　　车辆靠右行导致人也靠右行，这样更安全些。由于长期习惯，所以人们无论在哪里行走都喜欢右行。
左右鞋磨损程度不同
　　这种现象现代人已经难看到，因为一双鞋穿的时间太短，表现不明显。我想40岁以上的人对这个现象还记忆犹新。如下图： 　　这是由于两只鞋的受力差异而形成的。在北半球，由于地转偏向力作用于右侧，所以人们常发现右鞋磨损比左鞋要多些；而南半球由于地转偏向力作用于左侧，所以左鞋磨损比右鞋要多些。
跑道上逆时针跑行
　　在跑道上跑行，人们总喜欢沿逆时针方向。如下图： 　　A人是逆时针方向跑，正好在弯道处。从图上可以看出，地转偏向力向外，身体倾斜产生一个向内的向心力，二力方向相反，更易平衡，过弯道处不易跌倒。B人是顺时针方向跑，也正好在弯道处。从图上可以看出，地转偏向力和身体倾斜产生一个向内的向心力方向相同，不易平衡，过弯道处易跌倒。 　　人类的发源地都在北半球，人们长期受地转偏向力的影响形成了这一习惯，所以哪怕到了南半球，人们还是习惯于这样的行为。
机械设备都是顺时针旋转
　　我们所见到的电扇、电机、柴油机、水轮机等都是顺时针旋转。如下图： 　　从图上可以看出，在北半球顺时针旋转，地转偏向力指向轴心，有于物质的向心作用，使机械设备更耐用、更牢固。而逆时针旋转时地转偏向力指向外，有于物质的离心运动，机械设备易损坏，使用寿命缩短。 　　总的来说要看到一个微弱的东西产生的效应，最好的办法在大尺度和长时间的过程里边观察它。 　　古语有云，“水滴石穿”，只要时间够长，没有什么效应是观察不到的。比如说河流，一刻不停流淌了千百年的河流在科里奥利力的作用下河水总是倾向于向右偏，于是河流的右岸总是被冲刷的，而左岸由于没那么多河水冲向它，流速较慢，所以经常有沙石堆积。再比如说铁路，每天都有成百上千吨重量的火车在上面沿着同一个方向以一百来公里一小时的速度飞驰着，这样日积月累也会产生磨损。而人们发现在北半球，右轨磨损得总是比左轨要厉害那么一点点，原因就是火车在行走的时候会受到向右的科里奥利力的作用，这样的话右轨要承担的压力就比左轨要大那么一点，于是磨损当然也就更厉害了。 　　如果在大尺度上观察的话，科里奥利力也会现出原形。我在沿海地区长大，一年少说也会经历好几次台风。如果我们从卫星云图上面看的话，所有在北半球的台风都是向外顺时针旋转的，这就是科里奥利力玩的把戏。在地面附近，台风中心处的气压会特别低，所以风是向台风中心吹的。而当这么多空气跑到台风的中心之后，它们也没地方去，所以就一直沿着风眼的壁旋转着向上爬，然后就到达顶端了【注2】。在顶端它们也还是没有地方好去，之后向外吹了。这时候，科里奥利力就过来干涉了，使气流的方向逐渐向右偏移，于是我们就能在卫星云图上看到这个被自己向外吹成了顺时针的台风了。
编辑本段附：关于科里奥利力的较严格的数学证明
　　（自我研究结果，仅供参考，不具权威性） 　　首先将运动分为纬线（速度记为vx，正方向与地球自转方向相同）和经线（速度记为vy，正方向自南向北），并设地球半径为R，地球角速度为ω，物体质量为m，纬度为θ（北纬正值，南纬负值），一切计算忽略公转。
纬线方向
　　若物体静止，则其相对于太阳速度为v0=ω*R*cos θ……① 　　受向心力fn0=v0^2/(R*cos θ)*m……② 　　又此时相对地球静止，因此所受合力即为向心力fn0，该力 与大地平行方向上的分力 即为 向心力在与大地平行方向上的分力，也即fn0*sin θ 　　当物体沿纬线方向以速度vx运动时，相对于太阳速度为v=vx+v0 　　受向心力fn'=(vx+v0)^2/(R*cos θ)*m……③ 　　此时所受地球的引力、支持力等合力在与大地平行方向上不变，仍为fn0*sin θ。但向心力已变为fn'*sin θ。 　　若以地球为非惯性参考系，则该物体受到惯性力：fn=fn'*sin θ-fn0*sin θ……④ 　　由①②③④得：fn=(2vx*v0+vx^2)/(R*cos θ)*m 　　又因为vx<经线方向的角速度ω=dθ/dt=vy/R……② 　　②带入①得dv0=-vy*ω*sin θ dt 　　整理即a=dv0/dt=-vy*ω*sin θ 　　又物体沿经线的速度v也是随地球自转转动的，加速度为v*ω*sin θ，证明同向心加速度，此处略 　　这是地球相对于物体的加速度，则物体相对于地球的加速度为a=vy*ω*sin θ+v*ω*sin θ=2*vy*ω*sin θ 　　这就是科里奥利力产生的加速度，则科里奥利力为f=m*a=2vy*ω*m*sin θ 　　方向与地球自转方向相同（所有变量为正值），进而推知北半球向右，南半球向左 　　定性分析：越靠近赤道，线速度越大，而如果物体在纬线方向的速度保持不变，并沿经线向赤道运动时，物体的线速度就会小于地球的线速度，表面上看就是受到了地转偏向力被拉慢了，同时沿经线运动速度本身也在随地球自转改变，加速度方向与前者相同。其他情况与此同理。
综述
　　物体以速度v运动时（v=√（vx^2+vy^2）），受到科里奥利力f=m*√（4*vx^2+4*vy^2）*ω*sin θ=2mv*ω*sin θ，方向北半球向右，南半球向左，赤道上不受力。