Tuesday, February 24, 2015

Fic=-2ω×mv。科里奥利力就是这个非惯性系里边的一个惯性力。一个参考系经常有这种无缘无故的“ 力”的话那就真是太麻烦了,于是我们定义一堆特殊的参考系,它们之间相互静止或者相互做匀速直线运动,而且在它们之内的物体永远不会受到一些没有施力物体的力,我们把它们叫做惯性系,因为在惯性系里边的物体,要么就是不动,要么就是不停地做匀速直线运动,“不碰南墙不回头”。

科里奥利力作用下是螺线还是圆周运动
2014-07-20 16:55 TAKEARMS 分类:物理学 | 浏览 18 次
物理学
假定一匀速转动的光滑水平圆盘,若某光滑小球从圆以某初速度射出,匀速直线加匀速转动,小球轨迹应是阿基米德螺线吧。但根据科里奥利力公式类比于洛伦兹力,Fcor=2mvw,小球不是应做匀速率圆周运动吗?
求解答


Fic=-2ω×mv

科里奥利力就是这个非惯性系里边的一个惯性力。


谬误与真知:马桶、台风与“地转偏向力”Comments>>
发表于 2009-01-06 05:04 | Tags 标签:, ,
漩涡
“为什么北半球的马桶冲水时水流是逆时针向内旋转的?”
“因为地转偏向力使水流一边向下流一边向它的右边拐。”
这是一个在日常生活中会偶尔听到的话题,故勿论其对错。那么,到底这个“地转偏向力”是什么呢?

地转偏向力,是一个更为普遍的“力”之中的一个特例,这个“力”的大名就叫做科里奥利力。它是由法国数学家、工程师科里奥利(Gaspard-Gustave Coriolis)从理论力学中推导出来的,所以也以他的名字命名。为什么我们要在这个“力” 字上加引号呢?因为它不是一个真正的力。真正的力除了有受力物体也应该有施力物体,但如果这个科里奥利力有施力物体的话,那这个施力物体也太玄乎了,能让北半球所有水流都向右拐。这其实不是一个真正的力,物理学家们把它称作一种惯性力,也就是说是由物体的惯性产生的力。
那么,在什么情况下才会出现这种力呢?科里奥利说了,在一个转动的参考系中就会出现科里奥利力,只要是在这个参考系中运动的物体都会好像受到一股垂直于运动方向的力,从而偏离开它的轨道。科里奥利他说的“转动的参考系”,其实这个转动就是说这个参考系相对于一个惯性系在转动【注1】,那么这个参考系本身就是一个非惯性系了。科里奥利力就是这个非惯性系里边的一个惯性力。
不过科里奥利力也不是对所有物体都一视同仁的。对于相对参考系不动的物体,它不会作任何打扰,它专爱找运动物体的麻烦。它的公式是:Fic=-2ω×mv。在这里,m是物体的质量,ω是指示参考系旋转速度和方向的向量(就是方向和数量的一个组合),而v则是物体在这个参考系中运动的速度向量。这个乘号也有讲究,它不是一般2×3的那种乘法,而是一种特别为向量设计的乘法,通常叫做叉乘。而Fic就是这个物体在这个参考系中受到的科里奥利力。
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。我们向来认为地球是不动的,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。但是我们现在知道地球其实是在一刻不停地自转的,虽然转得不快,24小时才转一周,但它的确在转动。所以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,于是在北半球的话这个向量大约是从地下指向天空的,于是一切平行地面运动的物体受到一个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,在南半球这个向量是从天空指向地下的,于是乎一切东西都反转了过来,平行地面运动的物体这回受到的科里奥利力的作用就是向左边的了。
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。
那科里奥利力是干什么吃的?这么微弱的影响它能干点什么?
由于地球转动产生的科里奥利力是非常微弱了,这并不是它的过错,主要是因为地球转得实在太慢了,24小时才转一圈,要是参考系转得快一点的话它的影响也还是不可小觑的。我听说在一些大型主题公园之中有这么一种游戏设施,它是一个很大的转筒,里边可以站很多人。当人们站好在里边之后,转筒就开始转动。根据我们的日常经验,人们在里边会受到“离心力”的作用,然后就都贴到筒上了。正在这个时候,当转筒达到一定的速度,人们都“情不自禁”贴到筒壁上的时候,地板就会突然挪开,只剩下一帮“贴墙的”在干瞪眼。这时如果你在里边,你拿出一个小球让它做自由落体运动的话,你不仅会发现小球受到“离心力”的作用而向你的方向偏转,还会发现它很快地从你面前飘开,这就是科里奥利力的作用了。我估计在一些别的以旋转为卖点的游艺设施(比如说咖啡杯)里边也同样能观察到这种效应,可能没那么明显罢了。我们能在这些游艺设施中观察到科里奥利力的明显效应,就是因为它们的旋转速度比地球快多了。
不过,虽然因为地球旋转得慢,引起的科里奥利力不太大,但是我们也还能看到某些它的效应。
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(这是2007年第8号台风圣帕):

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。

注释:
1.在力学里边,为了研究运动,我们肯定要首先假定有些东西是不动的。这些我们假定为不动的东西,再加上一个钟,就是一个参考系。比如说坐火车的时候,地上的人认为大地是不动的,他们的参考系就是大地,那么火车里边的人当然就是以每小时几十公里的速度在不停飞驰着。但是对于火车上的人来说,他们看车上的座位啊桌子啊都不像是正在高速运动的样子,所以他们肯定是会认为这个火车是不动的,他们的参考系就是火车。这样的话,在他们眼中看来,他们自己是没动的,反而是地上的人毫无凭据就以每小时几十公里的速度在运动呢。
那么,在这些参考系中有没有一些是比较特殊的呢?有的。如果我们还是以火车做例子的话,当火车匀速运动的时候我们当然感觉不到什么,但如果火车一刹车的话,大家都会纷纷像被一双无形的手推着向前倒去。如果一个参考系经常有这种无缘无故的“ 力”的话那就真是太麻烦了,于是我们定义一堆特殊的参考系,它们之间相互静止或者相互做匀速直线运动,而且在它们之内的物体永远不会受到一些没有施力物体的力,我们把它们叫做惯性系,因为在惯性系里边的物体,要么就是不动,要么就是不停地做匀速直线运动,“不碰南墙不回头”。而一切不是惯性系的参考系我们都叫做非惯性系,这是一个很没有想像力的名字。在非惯性系中物体有时会受到一些莫名其妙不知道从哪里来的力,这些力被称为惯性力,因为它们其实就是物体本身内在的惯性的一种体现。
2.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。
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112 Responses to “谬误与真知:马桶、台风与“地转偏向力””

  1. c2blog说道:
    c又考古挖到这个
    BigMac:[科普系列]几则经典的物理学错误解释
    http://www.tianya.cn/New/PublicForum/Content.asp?strItem=no01&idArticle=71969
  2. mkblue说道:
    为什么是逆时针?图片显示的不是顺时针吗?
  3. Eagle_Fantasy说道:
    写的很好啊,这些东西我也曾经研究过,真不明白为什么小时候看的那些所谓百科全书的作者会相信马桶产生的漩涡是克里奥立力产生的...
  4. 翼紫岚说道:
    “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”
    我想这个只能用来解释为什么小溪里的水不发生向右的漩涡……吧……正如后面所说,马桶里的水受缸壁和孔洞中引力的状况相当复杂,是不是在这种复杂的情况下科里奥利力的作用会放大?如果此外的力都注定产生漩涡,只是不确定是哪一边的漩涡,一个偏转的力就可以产生决定作用,让接下来的路线漩涡的方向被确定……?
    (此外我记得最早看到这个理论的时候,举的例子是浴缸,而浴缸可绝对不是左右镜像的,况且里面还有人)
    • fwjmath说道:
      在马桶这个系统里边外来的动力可忽略不计,所以不会出现这种放大作用的现象。
      如果是浴缸的话,建议你实验一下。
      我在文中举我看到的沙井孔的例子也是为了说明科里奥利力并不是产生漩涡的原因,否则沙井孔的漩涡旋转方向应该都相同,事实上经过观察不是。
      • 奔奔说道:
        沙井的两个孔离得有多远,如果是一个孔对另一个孔的漩涡有扰动的话,很可能在双孔情况下漩涡旋转的方向始终不一样哦。
  5. bluechacha说道:
    其实有些地方没看明白:
    科里奥利说了,在一个转动的参考系中就会出现科里奥利力,只要是在这个参考系中运动的物体都会好像受到一股垂直于运动方向的力,从而偏离开它的轨道。科里奥利他说的“转动的参考系”,其实这个转动就是说这个参考系相对于一个惯性系在转动【注1】,那么这个参考系本身就是一个非惯性系了。科里奥利力就是这个非惯性系里边的一个惯性力。
    这个导致后面相关的都没明白.....
    还有,逆时针不是向左么?
  6. Robot说道:
    我在南半球,马桶的水确实是不一样的方向啊
  7. gerry说道:
    科氏力当然不直接产生漩涡,但在对称的构造中,它难道不是最初的微扰吗?
    • fwjmath说道:
      那马桶又不是那种对微小扰动非常敏感的系统……
      退一步说,即使的确是最初的微扰,要在几秒内形成我们通常看到的壮观的漩涡的话,这个扰动还是不足够的,因为这个又没有自反馈的属性……
    • sci说道:
      我感觉也是这样,有点像雪崩的感觉,小的效益产生极大的效果,而且增幅很快
  8. 麟妖精说道:
    天哪,被科普书籍欺骗了二十几年= =你不说我还继续被欺骗呢
  9. RustingSword说道:
    故勿论其对错→姑勿论其对错
    sigh,平时没认真观察过,没有怀疑精神……
  10. ablmf说道:
    @沙子
    地球自西向东自转,那么水流如果朝向地心运动,应该因为惯性的作用朝西偏转嘛。
  11. Betty说道:
    开始提到的误解是很常见的了,因为中小学教科书似乎就是这么写的……
    注解2没看懂,向右偏不就是顺时针吗,为什么要用“但是”?
    • fwjmath说道:
      因为在地面上台风中心气压比较低,所以风是向中心走的,但是仍然会向右偏转。经过计算可以知道,风是逆时针向里边走的。
      顺便多说一句,科里奥利力其实也是形成风眼的原因,这个可以通过计算得出。
  12. 沙子说道:
    顺便补充一下,之所以南北半球人们感觉到水流方向相反(这里按照作者文初的思路,假定旋转是由克里奥利力引起的),其实是因为由于南北半球的人站立的方向是相反的,从而形成了相反的“左、右”定义,而实际上水流的方向并没有改变,都是朝向地心并且向东侧偏转。
    • y3r686说道:
      这个解释好像更通俗。
    • bluechacha说道:
      可是南半球的马桶和北半球的马桶不是也是站立方向相反的吗?那是什么使得南北半球的水都冲一个方向转?
  13. 沙子说道:
    文章写得很好,但是有两处我不太清楚,想做一些讨论:
    1、“地球的ω的方向是从南极指向北极的,于是在北半球的话这个向量大约是从地下指向天空的,于是一切平行地面运动的物体受到一个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,在南半球这个向量是从天空指向地下的,于是乎一切东西都反转了过来,平行地面运动的物体这回受到的科里奥利力的作用就是向左边的了。”
    我特意画示意图琢磨了一下,按照前文的定义,这里的ω应当指的是水流由于地球的自转而产生的相对速度,不妨称为惯性速度,地球自西向东转,而且南、北半球都是自西向东,所以,无论南半球还是北半球,ω的方向都应当是自转的反方向——自东向西,你这里所说的w其实是公式中的v,这是其一;
    其二,在公式Fic=-2ω×mv中,v指的是水流由于重力以及水压的作用向下(地心深处)流动的速度,这个速度无论在南半球还是北半球,都是由天空向地下的,如果按照您的观点,北半球的人冲马桶会遇到相当大的麻烦,这是其二。
    您的文章很详尽,也很有趣,让我学到很多,上面两点或许是您一时的疏漏,也或许是我没有搞明白,这里小心翼翼地提出来,希望更多的人能发表高见 :)
    • fwjmath说道:
      ω其实是参考系旋转方向的一个向量表达,是用右手法则判定的。如果右手4指顺着参考系旋转方向握拳,竖起的拇指方向就是ω的方向,而大小与角速度有关。
      对于地球来说,ω是从南极向北极方向的,一般我们考虑它垂直于地面的分量,这样的话在北半球就是从地下指向天空的。
      实际上科里奥利力的效应很小,所以不会对冲马桶产生什么阻碍。
  14. 同用说道:
    嗯 还有一个问题没解释就是 你看到沙井上的俩个个孔不是相同方向的 是怎么回事呀
    还没看懂
  15. juscojack说道:
    地球科学的问题,其物理学原理很简单,可相对于人类来说,由于地球的尺度太大了,并且人们居住在地球上,很容易发生不识庐山真面目的事情,以致于迷惑不解。
  16. 木遥说道:
    可是还是没解释为什么马桶会有漩涡阿,如果不是专门设计的话。
    • Shea说道:
      这要从流体力学偏微分方程组的不稳定性说起了……(此处省略有关和无关的N篇论文、M本教科书以及K次大规模数值模拟)
      • 木遥说道:
        难道没有定性的解释么?我并不需要知道参数和方程的细节阿,只要说明白为什么水是转着流下去的而不是直着流下去的就可以了。。。
        • 企鹅出没说道:
          因为个马桶的漏斗形状,冲水口出来的水柱(收到冲力和重力)撞击马桶后,又产生反应力,合成球形向心力,所以就螺旋下降,出现漩涡?
          可以这样理解么?
          • fz说道:
            那马桶的漩涡方向是随机的咯?马桶的结构都是左右镜像对称的啊。
            • bluechacha说道:
              我猜马桶的结构不是左右镜像对称的...
          • 木遥说道:
            如果是这样的话,没有理由整个马桶里的水都往一个方向转。。。因为这些力的方向完全是局部确定的,所以应该不同的地方各转各的,总的看来是杂乱无章的湍流才对。
        • DNA说道:
          我觉得这个问题可以上Dr.You呢
    • fwjmath说道:
      实际上许多马桶是没有漩涡的……比如说我现在正在用的那个……
  17. 猛犸这个题图选的好波澜壮阔。
    马桶这个,我错误认识从小学就开始了……我决定回家去刷马桶。
    • fz说道:
      同刷同刷……
      傅科摆,北京天文馆里也有呢~~
      • 六月飘雪88说道:
        北京天文馆的那个我也看了,不知道那个转一圈要多长时间

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