中国人头顶的“旋” 转偏向力是微弱的，它的确能影响长时间远距离运动的物体。但是它远不足以影响到盆中水流的漩涡，漩涡方向和地理位置也没有必然联系，主要是取决于水流初始状态或水盆的结构

科学科普——水流漩涡的解释  

2013-10-27 11:20:47|  分类： 默认分类 |  标签： |举报 |字号大中小 订阅

 漩涡与地转偏向力与左升右降[转]  来自http://blog.sina.com.cn/s/blog_53d3accd0102dtaw.html 中西合璧论玄幻

浙江省余姚中学 陈允文 选自《物理教师》2009年第10期

当脸盆中的水排空时会形成漩涡，为何会形成这个漩涡？我们通常的解释是：这是由于地球自转引起的地转偏向力在起作用。在北半球，地转偏向力向右，引起气流向右偏。南半球则向左。所以北半球的气旋是逆时针的，南半球呈顺时针。气旋如此，水流的漩涡也是如此，所以我们见到脸盆中的漩涡应该是逆时针的。

小时候读科普书，对这一说法深信不疑。感叹自然的神奇并经常留意脸盆放水时形成的漩涡，有一次笔者惊奇的看到了一个顺时针的漩涡，一开始笔者怀疑自己记错了书上的解释，然后去翻书，书上明明写着北半球应该是逆时针呵！然后又怀疑那次是自己看走眼了。直到反复几次确信既看到了有逆时针的也有顺时针的漩涡后，才知道上面那个解释其实是有问题的。

先让我们看看什么是地转偏向力。这是在非惯性系中被引入的第三类惯性力，前两类为平动惯性力和惯性离心力，当物体相对于转动的参考系运动时，才引入此力。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（约462m/s），随着纬度升高，线速度越来越小，到了极点减为零。设想空气从低纬度地区向北极移动：最初，空气是具有与出发地相同的向东线速度的；当空气接近极点时，那儿的地面线速度为零，而这股空气却继续保持着它原本向东的速度（假设没有因为摩擦而损耗），于是它会相对于目的地的地表转向东面。沿着空气前进的方向看就是向右偏转了，就好像受到了一个向右的力作用。一个名叫科里奥利（Gaspard—Gustave Coriolis）的法国人在1835年最先用数学方法描述了这种力，所以科学界称之为科里奥利力。科里奥利力是在所有转动参照系中都会出现的，在以地球为参照系时，我们通常也称它为地转偏向力。科氏力的大小和方向与转动的角速度ω、物体相对与参照系速度v相、物体质量m有关，可表示为

fk*＝2mv相×ω。

ω、v相、fk*形成右手螺旋（如图2）。

或写成：

f＝2mvωsinφ

v为物体的水平运动速度分量，ω为地球自转的角速度，φ为地面上物体所处的纬度。

之所以要在这个“fk“上加“*”号，是因为它不是一个真正的力。真正的力离不开受力物体和施力物体，但科里奥利力找不到施力物体。它是在非惯性系中为了让牛顿力学规律仍然成立而假想的一个力。物理学家们把它称作一种惯性力，也就是说是由于物体具有惯性而产生的。

现在我们可以解释为什么北半球的水流总有向右偏的倾向了。我们通常认为地球是不动的，就算是物理学家做实验，在很多情况下都选取大地作为参考系。但实际情况是地球在一刻不停地自转，地球其实是一个转动的非惯性系，任何运动的物体在地球这个非惯性参考系中都会受到惯性力——特别是科里奥利力的作用。地球的ω的方向是从南极指向北极的，于是根据右手螺旋定则可以知道在北半球一切平行地面运动的物体受到一个指向它们运动方向右边的科里奥利力的作用，于是就向右偏转了。同样的道理，在南半球平行地面运动的物体受到的科里奥利力向左。

地转偏向力是否真的决定了水流漩涡的方向？

首先，实际的观察是不支持这一观点的。因为按照科氏力去解释漩涡，那么北半球的确只能看到逆时针的了。但是如果你真的留意你的洗脸盆中流走的水的话，一段时间后你一定会和我一样惊奇地发现它们有时成顺时针（如图1），有时成逆时针，而有时却并没有显出特别清楚的方向就流走了。每个人都可轻易地在自家的洗手间来验证这一点！

地球自转的作用其实是很微弱的。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：假设放水时水流冲向出水口的速度达到10m/s，那么即使在两极地区，水流受到的由于科里奥利力产生的加速度也只有1.45×10-3m/s2。如果水盆的直径有1m，那么水流从边缘到达中心的时候由于科里奥利力产生的偏转大概只有1.8×10-6m，这根本就产生不出肉眼能看得出的效应，况且你会发现有时这漩涡是那么强烈，那一定不会是科氏力所引起的。其实我们可以想象，如果科氏力会这么强烈的影响水流漩涡，那么我们平时踢足球、打台球时也必定会受到科氏力的影响，但即使是最顶尖的斯诺克选手，在出杆时也丝毫不会考虑科氏力带来的影响。

事实上，决定水流漩涡的主要原因之一是盆中水体原本的扰动（注：类似可以解释人发旋的差别）。若水一开始有一点点顺时针旋转，那么随着水逐渐漏掉，由于角动量守恒角速度势必就会增加，就像滑冰运动员收缩身体让转动加快一样，我们也就会看到水流漩涡了。为了证实这一点你可以在脸盆中有意搅动使水有顺时针或逆时针转动再拔去塞子，你会看到形成的漩涡方向一定和初始流向一致。如果你把水静置十几分钟以消除原有扰动再轻轻拔去塞子的话，你还会发现水流并没有形成明显的漩涡就直接排空了，因为初始角动量为零。

另外一个影响水流漩涡的主要因素是水盆的构造。象抽水马桶，它们产生漩涡的原因多半是由于它们自身的构造决定的。有的马桶就是设计成漩涡式冲水的，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方向的漩涡（注：如炮膛的来复线）。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。

这么微弱的地转偏向力能带来什么影响？要看到一个微弱的力产生的效果，最好的方法就是延长作用时间（注：甚至可以影响生物的进化过程）。在季风、气旋的形成移动过程中，往往需要几天、几周的时间，在这样的一段时间里，微弱但持续的科里奥利加速度足以使风向产生明显的变化，所以我们在北半球看到的气旋、台风都是逆时针的（如图4,虽然在这个情况下，科里奥利力是使风向右偏的，但是由具体的计算我们可以知道，这时候产生的漩涡仍然是向内逆时针，也就是向外顺时针的。）。另外，科氏力也影响到了大型的河流在数千年的流淌中对两岸的冲刷。北半球右岸往往比左岸陡峭。在一战期间，德军用他们引以自豪的射程为113km的大炮轰击巴黎时，也受到了科里奥利力的捉弄，懊恼地发现炮弹总是向右偏离目标。直到那时为止，人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。另外，还有人认为，科氏力也影响到了火车铁轨的磨损程度，北半球右轨要比左轨磨损厉害一些，不过这样的铁路得有个条件，就是这条铁路只开一个方向的列车。如果不是单向行驶的话，来的时候这边是右，回去的时候就是左了，所以磨损还是一样的。

总之，地转偏向力是微弱的，它的确能影响长时间远距离运动的物体。但是它远不足以影响到盆中水流的漩涡，漩涡方向和地理位置也没有必然联系，主要是取决于水流初始状态或水盆的结构。

以上我们说的都是自然现象，那么有没有人造的能显示科里奥利力效应的仪器呢？

其实是有的，而且我觉得应该很多人都听说过这个东西。它叫傅科摆。

是听说过，但是这个东西不是用来说明地球是在转动的么？

的确，当初法国物理学家傅科(Jean Focault)在巴黎先贤祠放这个摆，目的的确是要展示地球在转动。在巴黎先贤祠的这个傅科摆，摆长67米，重28千克。之所以傅科选择这么长这么重的摆是有原因的。摆长越长，摆的速度就越大，这样的话傅科想要的效应会更加明显。摆在开始摆动之后就不能再被干扰，所以为了使空气阻力对于摆的影响尽量小，傅科选择了一个相对大的质量。为了显示摆的轨迹，傅科还特地在摆下摆了一个沙盘。如果地球是静止的话，他的摆应该只会在沙盘上画出一条唯一的轨迹，并且沿着这条轨迹不停的往复运动，直到摩擦力使它失去所有能量为止。

正式演示的那天到了。在巴黎名流的众目睽睽之下，傅科的摆在沙盘上画出的轨迹竟然非常缓慢地向右偏转了起来。自然以一种简单得出人意料的方式证明了我们一直认为静止的大地实际上是在永无休止地自转着。傅科摆向人们展示了地球的自转。

那么，是什么力量使摆的轨迹偏转的呢？你没有猜错，正是科里奥利力。在摆的每一次摆动中，科里奥利力都使摆偏转了那么一点点。但是如果长时间观看的话，每个小时摆的轨迹都会向右转过11度，大概32.7小时摆才会转过一圈，这个周期会随着摆所在地的纬度变化。正是这样缓慢而又坚定的偏移使人们能亲眼看到地球转动引起的效应，而这一切都源于科里奥利发现的科里奥利力。

现在这个摆还在巴黎先贤祠里边摆着，当然加上了不少的装置，使摆可以一直摆下去。直到现在这个摆还在以大约32.7小时转完一周的速度缓慢地而坚定地摆动着，就像人们追寻真理的步伐一样。

 中医中有肝木升于左，肺金降于右的说法，一般的解释是肝木对应于东方，于时为春，具生发之性；肺金对应于西方，于时为秋，具肃降之性，所以机体中有一个左升右降的循环，这种解释已经很圆满了，在这里试图通过中国的地理环境特点提出一种不同的解释。

    在我国陕晋两省之间的黄河是南北流向的，到那里观察一下会发现靠近陕西省的西岸显得要陡峭一些，这说明河水在由北向南的流淌过程中产生了一个向西的力；同理如果有河水从南向北流，又会形成一个向东的力，导致东岸较陡峭。如果再观察一下河里的漩涡，会发现漩涡多是逆时针旋转的。这种现象是怎样形成的呢，是因为地球的自转形成的。由于地球是一个球体，北半球的物体由北向南运动时和地轴之间的距离加大，也就是其自转的半径增大，这时会产生一个叫科里奥利力的惯性力，由于这个力使自然界出现了各种奇妙的现象，除了上述河流的例子以外，还有一个我们熟悉的现象，每天看天气预报的时候，细心的人会发现我国的卫星云图漩涡总是逆时针方向的，这也是由于科里奥利力形成的，这说明由于地球自转的作用，在北半球形成一种逆时针旋转的气机。这和中医学有什么关系呢？内经上说人以天地之气生；四时之法成，我们中国人祖居北半球，体内的气机难免受到北半球自然界气机的影响，按照天人相应的观点，我们体内的气机运行时也会形成一种逆时针的旋转。逆时针旋转是什么，不正是左升右降吗。所以古人说的左升右降是可以在自然界找到依据的。

    由此我想到两个有趣的问题，请大家观察和思考，第一个问题是我们中国人头顶的“旋”是不是逆时针的呢，我本人没认真观察过；第二个问题是：如果南半球的土族人也有传统医学，他们的经典中是不是右升左降呢，表面看来是个很无聊的问题，但里面隐含的一个问题是：中医学天人相应的观点，对不同地理环境的人还有没有说服力，我国西北高，背靠欧亚大陆；东南低，面临太平洋，特殊的地理环境产生了分明的四季，并有着风寒暑湿燥火交替的严格规律，在这种环境下产生了我们的中医理论，所以说如果中医真能走出国门，其根基会不会动摇呢，我这里真是杞人忧天了。

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日期: 2011-3-3 16:16:34　浏览: 154　来源: 学海网收集整理　作者: 李龙

摘要：由于地球本身的自转，使得在其表面流动的液体和气体（或称为流体），受到“科里奥利力”的作用。当我们使用洗脸池或抽水马桶后放水时，水流通常要形成漩涡从排水孔流出。有理论称，在北半球，水流旋涡是朝逆时针方向的；而在南半球，则是顺时针旋转的。
　　关键字： 顺时针 逆时针 地球自转 科里奥利力 气旋
　　 1.举例分析
　　对于水旋涡的方向，有说法是北半球是逆时针，南半球刚好相反，原因是由于地转偏。这个说法是否正确？
　　先想想水流漩涡是怎么来的大部分的资料,甚至是物理老师都告诉我们水流漩涡是因为科里奥利力，因此北半球是顺时针流下,南半球是逆时针科里奥利力确实造成了地球上风向的改变，但科里奥利力会影响水流漩涡吗？如果科里奥利力会影响水流漩涡,那我们平常打篮球时应该也会受科里奥利力的影响可是好像没有吧.....
　　地转偏向是什么：地球由于自转，物体运动存在自转偏向。在地球上水平运动的物体，无论朝哪个方向运动，都会发生偏向，在北半球向右偏，在南半球向左偏。
　　抽水马桶的水流形成的漩涡，在北半球逆时针旋转，在南半球顺时针旋转。当我们使用洗脸池或抽水马桶后放水时，水流通常要形成漩涡从排水孔流出。为什么会形成漩涡呢？热心的物理学家这样告诉我们：由于地球本身的自转，使得在其表面流动的液体和气体（或称为流体），受到“科里奥利力”的作用。科里奥利是19世纪法国数学家，他发现在旋转球体上移动的物体，会偏离其运动轨迹。这很容易理解，把等角速度旋转的物体本身看成是一个非惯性系，那么其中运动的物体受到惯性力的作用；特别是，一个惯性力垂直于矢径，是因为沿矢径移动时候，其线速度会发生改变，也就是产生了加速度，这就是受力方向。在地球北半球，科里奥利力造成流体逆时针旋转，在南半球则顺时针旋转。
　　物理学家对科里奥利力或科里奥利效应的理解绝对准确，但使用科里奥利效应来解释抽水马桶水的漩涡则大错特错。科里奥利效应在解释洋流、大气环流之类大规模运动的流体时是成立的。但是，对抽水马桶的水流，科里奥利效应则几乎毫无影响。马桶旋转水流的2端，由于地球自转造成的影响几乎是完全相等的，即使有略微不同，也安全无法造成强烈的水流。
　　那么，马桶时如何造成水流旋转呢？仔细观察即可发现，答案是马桶边缘的出水孔。马桶设计人员使水从边缘沿着切线方向喷出，这样造成水流的强烈旋转。但是，洗脸池和浴缸并没有侧向水流，为什么也会产生深深的漩涡呢？答案也不是科里奥利效应。原因在于，水在流向排水孔时，不能把孔完全盖住，否则，空气跑不出来，水也流不下去。因此，水流必须“排队等候”流入排水孔。漩涡就是水流排队的方式。通常，对于某个马桶，漩涡方向是固定的。这因为排水孔中心并不严格处于马桶或者浴缸的中心，这样，初始的随机偏转效应会累积，最后形成固定的旋转方向。
　　再如，假设北半球有一物体在A点，它沿着经线向北朝B点运动，在B点有一个观测者，如果地球没有自转，那么这个观测者就会看到物体沿着运动方向到达了他的位置；但是地球是一个自转的球体，那么B点经过地球的自转就相当于从经线1转到了经线2的位置，因为地球的经线不是平行的，所以B点在经线2的指向相对于在经线1的指向就改变了，形成了一个角度（可以去看一下地球仪，就会发现两条经线的指向是有角度的）但物体由于惯性，仍然沿着原来经线的指向运动，于是运动到目的地时，在B点的观测者就发现这个物体运动到他的右边。
　　 2.原因分析
　　同样的由于纬线在平面上也不平持，所以在北半球纬线指向运动的物体也会向右偏向；而在南半球的情况刚好和北半球相反。 而只有在赤道上才不会出现地转偏向，因为那里的经线和纬线在平面上是平行的。
　　所以很多交通工具如飞机，轮船在航行时都要经常的调整航向，不然就会偏航到目的地的右方了。 地转偏向气流的影响非常明显，是大气运动主要原因。地球上重要的天气特征气旋和反气旋需要地转偏向才能形成。地转偏向还是形成风暴的主要原因之一，是不同纬度带信风形成的主要原因之一，同时还是季风形成的主要原因之一。
　　地转偏向也是洋流形成的主要原因之一。洋流受到地转偏向的影响，在流动的过程中偏转，逐渐形成环流，使得地球的海水热量，成分得以交换，维持全球热量与水量的平衡。北半球的环流是顺时针，南半球的环流是逆时针的。 所以，地转偏向只在大尺度上对水流有影响。
　　事实上,水流漩涡只是因为水缸的不平稳或是水中原本就有的扰动造成的若水一开始有一点点顺时针旋转当水漏掉时,由于角动量守恒角速度势必就会增加,我们也就会看到水流漩涡了假设水缸底部完全水平水中也完全没有扰动那么不论是在何处,水都会直接向下流,没有漩涡所以说,并没有所谓北半球顺时针流下,南半球是逆时针这只不过是有人科里奥利力解释的产物不相信的话可以自己找不同的水缸做做看实验...如果水流漩涡与科里奥利力那在赤道线上水流漩涡也就没有特定的方向了。
　　 3.结论
　　对于水的旋涡，科学家已经表示，和地传偏向没有什么关系，地转偏向无力影响水形成旋涡，地球上水旋涡的运动方向和存在方式只与地貌特征有关；如果是下水道，则与下水道的结构和温度有关，而与地球的自转没什么关系，所以南北半球水旋涡的方向相反是个谬论，也就是说，不管在南半球或北半球，水的旋涡方向可能是顺时针的，也可能是逆时针的。
　　
　　参考文献:　
　　 http://www.iqstar.net/cgi-bin/topic
　　 http://www.hogo.com.cn/dierkt1/text
　　 http://www.zhiyin.com.cn/zy/ca2218.htm

《气象》 1980年07期
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反气旋式龙卷风
马德华
【摘要】：正 一般人们总认为,无论在北半球还是在南半球,龙卷风都是气旋式旋转的,即在北半球呈反时针旋转,南半球呈顺时针旋转,而反气旋式龙卷风则非常稀少。但从研究来看,反气旋式龙卷风也可经常发生,而且,反气旋式龙卷风常常还会在气旋式龙卷风的附近形成发展,两者的距离远近不一,远的可相