地转偏向力的成因 地转偏向力受理分析图
1.通过游戏转盘透视地转偏向力
在巨大的游戏转盘中,当人从圆盘中点向边缘运动时,会发现其运动轨迹也并非是一条直线。当转盘顺时针旋转时,运动轨迹向左弯曲(如图1),当转盘逆时针旋转时,运动轨迹向右弯曲(如图2)。
这种现象是如何产生的呢,现在我们通过图3来进行解释,图3为转盘逆时针旋转的情况,OO5为人的运动轨迹,现在我们截取一部分,扇形AOA′。在转盘上任意位置,其角速度是相同的,但是线速度却有着差异,随着与圆心距离的增大,其线速度也越来越大,即由E点到A点,线速度依次增大。先将线速度抽象为EE'、DD'、CC'、BB'、AA',就可以看出线速度的明显的变化趋势。
将人看做一个质点,假设质点从圆心O点附近的位置出发,此处线速度为很小。而随着质点移动的位置距离圆心越来越远,线速度也会随之增大。而质点开始移动之前,惯性效应使质点保持着缓慢运动。当质点向转盘边缘移动时,质点下方的转盘的线速度变得越来越大,而质点又要保持原有的状态,所以移动过程中,质点的速度总与其所在的盘面上的线速度有一定的差值ΔV。这样,在这个非惯性系中,便产生了一种实际并不存在的惯性力,使得质点的运动无法成为一条直线,而是曲线。因此,人在向边缘运动的过程中,会感觉到有一个与旋转方向相反的力在推他,而且被越推越远,便出现了一条弯曲的运动轨迹。
如图4,取运动轨迹的一部分扇形区域,图中曲线OA为运动轨迹,PP′,QQ′为以O为圆心的两段弧,V1,V2为两弧上的线速度,方向延切线方向。为了便于探究,假设人从PP′运动到QQ′的时间为极短的一段时间(即瞬间,可以忽略不计)。
由此可以清楚的看到,质点位于PP′上时,惯性使其保持了与转盘相对静止的运动状态(相对于地面时,拥有等于V2的线速度),在瞬间运动到QQ上,此时,转盘的线速度变为V1(V1>V2),而质点仍要保持原运动状态。所以,两线速度的速率间出现一定的差值,大小为ΔV=V1–V2,使其产生了惯性力F(形式上引入的“假象力”),方向与非惯性系的加速度方向相反。非惯性系的加速度方向即V 的方向,则惯性力F的方向为V的反向。由此便可得知,质点会向转盘转动方向的反向略微偏移。2. 用线速度解释地转偏向力
在地球的北极上空俯视,地球为逆时针旋转,在南极上空俯视,地球为顺时针旋转。我们也可将其模拟为平面模型,又由上文转盘的例子可得,地转偏向力是北半球向右偏,南半球向左偏。
如图5所示,为北极上空俯视的平面模型。假设B为由经线向北水平运动的质点,随着纬度的增大,任意两条经线间的距离越来越小,而B拥有起始处的线速度,随着地球的自转,B点运动到了B′点的位置,而质点仍保持着原来的运动方向BA。所以在地球的自转过程中,质点逐渐的偏离了原来所在的经线(向右偏转),使得原本方向为BA的运动,变成了地球自转带来的惯性驱使下轨迹为B′A′的运动。
如图6,将半球的平面模型转换为地球的立体模型,便会发现,B′A′变成了一条向右偏的弧线。如图7,质点向北沿经线取N1M1方向做水平运动,当经线L1转到L2时,质点由于惯性需保持原来的速度和方向延N2M2方向前进(即在地球这个旋转体系中,有一个惯性力驱使质点发生偏转,在以旋转体系的视角去观察质点时,会发现质点产生了偏转)。同理,延纬线方向运动的质点也向右偏,即P1Q1取P2Q2方向前进。
用同样的方法,便可解释南半球向左偏的地转偏向力。3.用向心力与地心引力的夹角解释地转偏向力
如图为北半球的立体图形,Vo为运动的初速度,F为地心引力,F1和F2为F的两个分解力,其中F2为A点的向心力,且BO∥AO'。
在地球表面,当质点以速度V0水平运动时,在F1的作用下,实际运动轨迹为一条曲线,且凹向F1一侧,初速度Vo为曲线运动的一条切线。由此可知,地转偏向力的产生也由于地心引力与向心力间的夹角,纬度越低,地转偏向力也会越小。在赤道上,由于地心引力与向心力重合,所以质点在赤道上运动时不受地转偏向力的影响。
4.从地平面日转动分析地转偏向力
在北半球,以极地平面为例,由于地球的旋转,使极地地平面产生了绕它的垂直轴作逆时针方向的转动,它的角速度就是地转角速度。若有物体相对于极地地面运动时,站在地面上的观察者会感到物体受到一个平行于地平面的力的作用,这个力称为水平地转偏向力。再以赤道平面为例,在赤道上,与其上任何一点相切的地平面都随着地球的自转而绕着穿过这一点与地轴相平行的一个轴转动。只有水平方向的角速度。地球自转时,赤道地平面的东边一侧“下降”,而西边一侧“上升”。若有物体相对于地平面运动时,地球上的观察者感到向东运动的物体受到向上的力的作用,而向西运动的物体,受到向下的力的作用。所以认为在赤道平面上运动的物体只受到垂直方向力的作用,此力即为垂直地转偏向力。
在赤道和极地之间的各纬度上,由于地球的自转,使其各处的地平面产生转动。此转动可分解看成一个绕垂直轴的转动(相当于极地平面的情况)和一个绕水平轴的转动(相当于赤道平面的情形)。地转角速度在垂直和水平两个方向均有分量,因此认为在中间纬度地区(即,除赤道与两极点以外的地区)运动的物体,既受水平地转偏向力的作用,又受垂直地转偏向力的作用。
5.地转偏向力的应用与实例
①地转偏向力是惯性力在非惯性系内的体现,计算公式为F=2mνωsinφ。根据此公式,也可得出赤道上没有地转偏向力,赤道上纬度φ=0,则sinφ=0,即F=0;而在两极点时,φ=π/2,sinφ=1(为最大值),所以F最大。(摘自《维基百科》)
②傅科摆摆动是一种往复直线运动,当摆面与地球自转的角速度有一定的夹角时,摆面就会受到地转偏向力的影响,而产生一个与地球自转方向相反的扭矩,使摆面发生转动。在北半球时,摆面缓慢的向右旋转,南半球反之。法国科学家傅科提出并完成这一实验,因而此实验被叫做“傅科摆实验”。③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。地转偏向力在气象中的应用,产生了很大的价值,方便了预测等。
④三角洲的形成以长江三角洲为例,由于地转偏向力的作用,使得长江水不断的向南发生微妙的偏转,冲刷侵蚀着长江南岸,使得南岸水深更利于建立河港。因为南岸附近的水流流速快,北岸水流流量慢,使得北岸淤泥不断的淤积,河道渐渐南移。位于长江入海口的崇明岛,隶属上海市,可是它却在逐渐远离上海。因为崇明岛南岸受到水流的冲刷,而北岸泥沙不断淤积,最终会导致崇明岛与长江北岸(江苏省)相连接。
⑤对气流的影响由于地转偏向力的影响,当气流从高气压带向低气压带运动时,不仅受到水平气压梯度力的作用,并且受到地转偏向力的影响。使其发生偏转,所以地球上风向都是西北风、东北风、西南风、东南风。气旋和反气旋的旋转方向同样也受地转偏向力的影响,与地转偏向力方向相一致(气旋:北逆南顺。反气旋:北顺南逆)。
通过以上分析,我们就不难理解地转偏向力的成因了,它就存在于我们身边,影响着我们生活的许多方面。
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