科氏加速度

作者:张素芬 时间:2020-10-27 点击数:

科氏加速度是1832年由科里奥利发现的,因而命名为科里奥利加速度,简称科氏加速度。科氏加速度是由于动系为转动时,牵连运动与相对运动相互影响而产生的。

现举例说明。在下图中,动点沿直杆AB运动,而杆又绕A轴匀速转动。设动系固结在杆AB上。在瞬时t,动点在M处,它的相对速度和牵连速度分别为vrve。经过时间间隔△t后,杆转到位置AB’,动点移动到M3,这时它的相对速度为v’r,牵连速度为v’e

如果AB不转动,则t+△t时刻动点的相对速度是图中的vr2;由于牵连运动时转动,使t+△t时刻动点的相对速度的方向又发生变化,变化为图中的v’r。相对加速度是在动系AB上观察的,只反映出由vrvr2的速度变化,而由vr2变为v’r,则反映为科氏加速度的一部分(见图b)。

如果没有相对运动,则t+△t时刻点M移动到M1,牵连速度应为图中的vM1;由于有相对运动,使t+△t时刻的牵连速度不同于vM1而变为图中的v’e。牵连加速度是动系上点M的加速度,只反映出由vevM1的速度变化,而由vM1变为v’e,则反映为科氏加速度的另一部分(见图c)。

上面的分析表明:

可以证明:

可见加速度aC正是由此产生。

科氏加速度在自然现象中是有所表现的。地球绕地轴转动,地球上物体相对于地球运动,这都是牵连运动为转动的合成情况。比如当我们要精确研究一个物体自由落体或其他运动时,就会发现它在往一边偏。不过地球自转角速度很小,一般情况下其自转的影响可略去不计;但是在某些情况下,却必须给予考虑。

例如,在北半球,河水向北流动时,河水的科氏加速度aC向西,即指向左侧。由动力学可知,有向左的加速度,河水必受到右岸对水的向左的作用力。根据作用与反作用定律,河水必对右岸有反作用力。北半球的江河,其右岸都受有较明显的冲刷,这是地理学中的一项规律。

在田径比赛,比如中长跑项目中。运动员都是沿着逆时针方向跑动的。这样做的奥秘就在于地球自转所引起的科氏效应。按科氏理论,在北半球的田径场上,运动员的科氏加速度的水平分量指向左侧,科氏力水平分量指向右侧。根据作用力与反作用力规律,地面将给运动员一个方向向左的作用力,所以运动员向左转弯比较省力。当然,对于近距离的运动,科里奥利力影响极小。

此外,留心生活的人不难发现打开放水塞,水池里的水流漩涡总是逆时针的;在天气预报节目中卫星云图中的气旋也是逆时针的。这些也都是科氏效应的现象。

参考资料:

1.哈尔滨工业大学理论力学教研室编,理论力学(第8版).

2.张勇,张照海,马景全,科氏加速度漫谈.

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