神奇的科里奧利力

陳明暉

隨著各種天氣活動(dòng)的變化，你可曾關(guān)注過天氣預(yù)報(bào)中的氣象云圖，云圖中北半球的氣旋往往是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而南半球的氣旋卻是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這是為什么呢？原來這是受到了地球自轉(zhuǎn)偏向力，也就是科里奧利力的影響，其表現(xiàn)是在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的體系中，由于慣性，原本進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的物體，總是相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)方向偏移。那么，科里奧利力到底是如何影響運(yùn)動(dòng)方向的呢？

在中國科技館“探索與發(fā)現(xiàn)”A廳的“運(yùn)動(dòng)之律”展區(qū)，就有這樣3件展品——“科里奧利力噴泉”“傅科擺”和“傅科擺小實(shí)驗(yàn)”，會(huì)帶你領(lǐng)略科里奧利力的奧秘。

科里奧利力噴泉

展品“科里奧利力噴泉”主要由可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)、水流噴射裝置（噴泉）和操作手輪組成，如圖1所示?？蛇M(jìn)行水流噴射的噴泉裝置位于可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，分為由外向內(nèi)噴射和由內(nèi)向外噴射2組。當(dāng)你轉(zhuǎn)動(dòng)手輪使轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，噴泉開始噴水，這時(shí)可以看到旋轉(zhuǎn)中的噴泉水流都發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，內(nèi)、外噴泉水流的偏轉(zhuǎn)方向相反。如果反向轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，轉(zhuǎn)臺(tái)開始反向轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)內(nèi)、外噴泉水流的偏轉(zhuǎn)方向也相應(yīng)發(fā)生反向，且二者偏轉(zhuǎn)的方向依然相反。轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度越快，水流偏轉(zhuǎn)就越厲害。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，內(nèi)、外噴泉水流不再發(fā)生偏轉(zhuǎn)。以上現(xiàn)象如圖2所示。那么，科里奧利力到底是一種什么樣的力，又是怎樣使轉(zhuǎn)動(dòng)的噴泉水流發(fā)生偏轉(zhuǎn)的呢？

這里，我們通過圖3進(jìn)行分析。當(dāng)忽略摩擦力時(shí)，在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的圓盤中，從A點(diǎn)沿圓盤直徑方向以速度Vr向B點(diǎn)拋出小球。A、B兩點(diǎn)都在圓盤上做旋轉(zhuǎn)的圓周運(yùn)動(dòng)，二者都有沿轉(zhuǎn)動(dòng)方向的切向速度Va和Vb，且切向速度的大小正比于距離中心點(diǎn)的距離，Va>Vb。這樣，拋出的小球在從A運(yùn)動(dòng)到B的過程中，從圓盤上沿途路過的點(diǎn)來看，小球具有的初始切向速度Va相對(duì)于沿途點(diǎn)在切向運(yùn)動(dòng)方向上是逐漸向前超越的，二者的速度差即Va-Vb正比于向中心運(yùn)動(dòng)的距離而越來越大。這樣，從轉(zhuǎn)動(dòng)的圓盤來看，拋出的小球在沿切向方向做勻加速運(yùn)動(dòng)（每個(gè)瞬間），根據(jù)牛頓第二定律對(duì)加速度的解釋，這等效有個(gè)慣性力切向作用于拋出的小球上（沿Va的方向）。反之，如果從B點(diǎn)向A點(diǎn)拋出小球，從轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上沿途的點(diǎn)來看小球在沿切線方向減速運(yùn)動(dòng)，等效慣性力的方向就與轉(zhuǎn)動(dòng)的切向方向相反了。這種在轉(zhuǎn)動(dòng)參考系中觀察到的運(yùn)動(dòng)物體（由于轉(zhuǎn)動(dòng)參考系中各點(diǎn)的線速度不同而產(chǎn)生）的加速現(xiàn)象就是科里奧利效應(yīng)，產(chǎn)生此效應(yīng)的虛擬的慣性力叫科里奧利力，這是1835年由法國氣象學(xué)家科里奧利提出的?？评飱W利力和離心力一樣是一種慣性力，并不是一種真實(shí)的力，而是一種效應(yīng)力。

你可以用上面的方法分析展品“科里奧利力噴泉”的情況，就會(huì)發(fā)現(xiàn)它與實(shí)際現(xiàn)象一致。

氣旋是大氣中常見的運(yùn)動(dòng)形式，也是影響天氣變化的重要天氣系統(tǒng)。在氣壓梯度力和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力的共同作用下，大氣并不是徑直對(duì)準(zhǔn)低氣壓中心流動(dòng)。如圖4所示，地球自西向東自轉(zhuǎn)，低氣壓氣流在北半球向右偏轉(zhuǎn)成按逆時(shí)針方向流動(dòng)的大旋渦（即氣旋），在南半球向左偏轉(zhuǎn)成按順時(shí)針方向流動(dòng)的大旋渦。夏秋季節(jié)，在我國東南沿海經(jīng)常出現(xiàn)的臺(tái)風(fēng)，就是熱帶氣旋強(qiáng)烈發(fā)展的一種表現(xiàn)形式。

科里奧利力不僅會(huì)影響大氣，還會(huì)影響地面上的河流。在北半球，河水在地轉(zhuǎn)偏向力作用下，對(duì)右岸沖刷甚于左岸，長期積累的結(jié)果，右岸比較陡峭；而在南半球，河水對(duì)左岸沖刷較厲害，這就是地理學(xué)中著名的柏而定律?？评飱W利力對(duì)鐵路的影響是：在北半球，行駛的火車對(duì)右邊鐵軌內(nèi)側(cè)磨損得更厲害，相應(yīng)的，火車的右側(cè)車輪也會(huì)磨損得更多些；而在南半球，它卻使左邊鐵軌內(nèi)側(cè)磨損得更厲害。科里奧利力在軍事中也有影響，

“一戰(zhàn)”期間，德國為轟炸巴黎曾專門制造了一門超遠(yuǎn)程的“巴黎大炮”——炮身重達(dá)750噸，初速度達(dá)到1.7千米/秒。但是，令人們感到奇怪的是，當(dāng)?shù)聡婈?duì)從110千米外用巴黎大炮轟擊巴黎時(shí)，炮彈競(jìng)偏離了目標(biāo)約1.6千米。你應(yīng)該能夠猜到，這個(gè)大炮的炮彈肯定是偏向了射擊方向的右側(cè)，就像逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的科里奧利力噴泉一樣。這些射程超遠(yuǎn)的遠(yuǎn)程大炮和彈道導(dǎo)彈，在計(jì)算彈道時(shí)一定要考慮到科里奧利力的影響，它在南北半球射擊時(shí)的偏轉(zhuǎn)和修正方向正好相反，神奇吧！

傅科擺

展品“傅科擺”由懸吊的擺錘、地球模型、環(huán)形刻度盤等裝置組成，如圖5所示。它通過電動(dòng)裝置擺錘起擺后，在地球模型上往復(fù)擺動(dòng)，擺動(dòng)一端經(jīng)過的刻度時(shí)間會(huì)亮起?？潭缺P一圈標(biāo)有37個(gè)刻度，如果你長期觀察，會(huì)發(fā)現(xiàn)傅科擺擺動(dòng)的平面在沿逆時(shí)針慢慢扭動(dòng)，逐漸點(diǎn)亮所有經(jīng)過點(diǎn)的刻度燈光，37個(gè)小時(shí)后擺動(dòng)面扭動(dòng)1周后回到最開始的擺動(dòng)位置。

擺錘可以看作一種往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺，在地球上的擺動(dòng)會(huì)受到地球自轉(zhuǎn)的影響，只要擺面即陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)的平面與地球自轉(zhuǎn)的角速度方向存在一定的夾角，擺面就會(huì)受到科里奧利力的影響，而產(chǎn)生一個(gè)與地球自轉(zhuǎn)方向相反的扭矩，從而使得擺面發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，這就像陀螺傾斜的自轉(zhuǎn)軸也會(huì)繞豎直中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象一樣。1851年，法國物理學(xué)家傅科預(yù)言了這種現(xiàn)象的存在，并且用實(shí)驗(yàn)證明了這種現(xiàn)象，他用1根長67米的鋼絲繩和1枚28千克的金屬球組成1個(gè)單擺，在擺錘下鑲嵌了1個(gè)指針，將這個(gè)巨大的單擺懸掛在教堂穹頂之上擺動(dòng)，證實(shí)了在北半球擺面會(huì)緩緩向右旋轉(zhuǎn)（傅科擺隨地球自轉(zhuǎn)）。由于傅科首先提出并完成了這一實(shí)驗(yàn)，因而該實(shí)驗(yàn)被命名為傅科擺實(shí)驗(yàn)。

傅科擺小實(shí)驗(yàn)

展品“傅科擺小實(shí)驗(yàn)”由帶有啟動(dòng)按鈕的2組裝置組成，其中一組裝置包含1個(gè)左右平移的活動(dòng)板和1個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)板，分別代表赤道和南極點(diǎn)附近的運(yùn)動(dòng)；相似的另一組裝置同樣包含1個(gè)左右平移的活動(dòng)板和1個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的活動(dòng)板，分別代表赤道和北極點(diǎn)附近的運(yùn)動(dòng)?；顒?dòng)板上都裝有支架懸掛著金屬球，如圖6所示。按下啟動(dòng)按鈕后，活動(dòng)板分別開始左右水平移動(dòng)或者順（逆）時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)拉起懸掛在支架上的金屬球，再松開手后觀察金屬球擺動(dòng)的過程，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，代表在赤道位置（平板左右移動(dòng)）上擺動(dòng)的小球擺動(dòng)平面相對(duì)于活動(dòng)板沒有變化，而代表南北極位置（平板旋轉(zhuǎn)）處擺動(dòng)的小球擺動(dòng)平面相對(duì)于活動(dòng)板發(fā)生了扭動(dòng)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的北極活動(dòng)板上的擺動(dòng)平面相對(duì)活動(dòng)板發(fā)生逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的南極活動(dòng)板上的擺動(dòng)平面相對(duì)于活動(dòng)板發(fā)生了順時(shí)針扭轉(zhuǎn)。

現(xiàn)在，你見識(shí)到科里奧利力的神奇了吧！那么請(qǐng)你思考：在旋轉(zhuǎn)的產(chǎn)生人造引力的太空站中，科里奧利力將會(huì)發(fā)揮怎樣的影響呢？