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1 # 力學Nerd王小胖
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2 # 聰慧曉曉
這種現象與地球的自轉有關,也成為科里奧利力,科里奧利力(Coriolis force)有些地方也稱作哥里奧利力,簡稱為科氏力,是對旋轉體系中進行直線運動的質點由於慣性相對於旋轉體系產生的直線運動的偏移的一種描述.科里奧利力來自於物體運動所具有的慣性.
也就是說,在北半球運動的物體,都有向右的一個分量,南半球則是向左;所謂的右岸就是相對河流的流向說的,長江自西向東,那麼右岸就是南岸咯!
這種現象與河流的流向無關.
力想要作功,必須有沿著力方向的位移。但是,科氏力是慣性力,實際並不存在,它無法作功。為了弄清楚這個問題,我將從力的作功的定義和慣性力的定義出發,引出科里奧利力,和科氏力的影響,最後深入說明科氏力無法作功的力學問題,深入淺出揭開本題的答案。
1、力的作功力的作功,就是力與沿著力方向的位移的乘積,數學表示式如下。功是一種能量,所以力的作功,其實是一種能量的轉化。下式中,用到了數學中的點乘,這就意味著:功可正可負可為零。作正功,意味著這個力一直在把能量傳遞進物體;作負功,則意味著這個力一直在阻礙著這個物體。
維基百科:功(英語:work),也叫機械功,是物理學中表示力對位移的累積的物理量,指從一種物理系統到另一種物理系統的能量轉變,尤其是指透過使物體朝向力的方向移動的力的作用下能量的轉移。與機械能相似的是,功也是標量,國際單位制單位為焦耳。2、慣性力很多人對於慣性力這個名詞不理解,甚至完全不接受。不過,你只要是正規大學的大二學生,對這個慣性力一點都不陌生,受盡了這個慣性力的虐待。要說這個慣性力,不得不提一下慣性力的背景。
中世紀的歐洲(11-17世紀),正在進行著一場革命。文藝復興從義大利的佛羅倫薩,很快的席捲整個歐洲。其中,出現了很多代表人物。但丁,達芬奇(美劇:達芬奇的惡魔,電影:達芬奇密碼,如下圖),伽利略,帕斯卡,波伊爾,笛卡爾。
在文藝復興的後半階段,一顆蘋果砸到了牛頓的頭上,他在總結前人的基礎上,提出了三定律,寫出了《自然哲學的數學原理》。牛頓第二定律:F=ma。在這之後,沉寂了一段時間,這段時間內,靜力學,動力學,運動學始終在各自發展。
到了18世紀,有個人對著牛頓第二定律發呆,他總覺得這個公式有點不順眼。於是,移項,變形後,他發現動力學可以從形式上與靜力學類似,這個人就是達朗貝爾。他一生在很多領域進行研究,在數學、力學、天文學、哲學、音樂和社會活動方面都有很多建樹。著有8卷鉅著《數學手冊》、力學專著《動力學》、23卷的《文集》、《百科全書》的序言。很多的研究成果記載於《宇宙體系的幾個要點研究》中。達朗貝爾生前為人類的進步與文明做出了巨大的貢獻,也得到了許多榮譽。但在他臨終時,卻因教會的阻撓沒有舉行任何形式的葬禮。達朗貝爾的身世很可憐,出生後即被遺棄在巴黎的一座教堂聖讓-勒-朗(Saint Jean-le-Rond)附近,所以以教堂的名字命名。後被一位玻璃匠收養長大。
正如前面所述,達朗貝爾對下圖的質點m進行分析,其收到外力F和約束力FN作用,發生運動,產生大小為a的加速度。根據牛二定律,F+FN=ma。達朗貝爾這個人某天突然就腦洞大開,把牛二定律寫成F+FN-ma=0。看起來平平無奇的一步,但是卻是非常關鍵的一步。如果把-ma人為定義成FI,那麼這個表示式就跟靜止的時候沒有任何區別,這個FI就是慣性力。作用在質點的主動力、約束力和虛加的慣性力在形式上組成平衡力系。
顯然,慣性力不是真是存在的,而是一種人為定義的虛擬的力,它與加速度和質量有關。達朗貝爾的這種將動力學轉化為靜力學的解法,奠定了分析力學的基礎。
3、科氏力科里奧利力簡稱科氏力,這個科氏力實際上並不是一種真實存在的力,而是由於座標系的旋狀產生,是一種慣性力。所以,想要知道科氏力,加速度的計算必不可少。
我們知道,運動是相對的,在不同的參考系中,同一物體的運動軌跡會完全不一樣。同樣的八大行星饒太陽運動,上圖是以銀河系為參考系,下圖是以太陽為參考系,得到的軌跡完全不同。我們常說的水逆也是由於參考系在地球,而觀測到水星逆行的現象。實際上並不存在水逆。
想要研究上述不同參考系物體的運動,必須依靠理論力學的點的合成運動。如下圖,質點沿著杆運動,杆向右運動,從地面座標系來看,這個質點就是斜向上運動。
這裡不詳細推導點的合成運動的加速度合成公式,直接給出答案,如下圖。紅框內的這一項就是額外產生的加速度,即科氏加速度,用ac表示。
科氏加速度是兩個向量的叉乘,遵循叉乘的規則。這裡ωe代表的是座標系(牽連運動)的旋轉角速度,vr是質點的相對速度。所以,科氏加速度是牽連運動和相對運動的相互影響。如果牽連運動座標系不發生旋轉,那麼角速度為零,紅框內的乘積就為零,不產生科氏加速度。這就意味著,旋轉才有可能產生科氏加速度。有了科氏加速度,根據第2部分的慣性力,科氏力就躍然紙上了。即:
在這個科氏力的作用下,物體的運動軌跡如下,會發生偏轉。
4、科氏力的影響例項如上所述,必須牽連運動是旋轉才有科氏力的產生。對於我們的地球來講,地球始終自西向東的旋轉,因此地球上的物體的運動,都會受到科氏力的影響。如下圖,包括颱風、長途客機、自由落體,以及高中地理的信風和氣旋。
如下圖,地球自西向東旋狀,北半球表面有物體沿著經線運動。地球角速度向量向上,物體向下運動,根據科氏加速度的叉乘判斷,其方向向右。因此,科氏力向左。即:北半球的物體由北向南運動時,會不自覺地向右偏轉。
地球科氏力的作用效果非常弱小,因此必須是大尺度範圍內才能顯現出來。我們在水缸裡放水,抽水馬桶抽水等水流的右旋方向,並不是科氏力的直接影響。
5、科氏力作功?根據科氏力的定義,不僅僅是地球自轉造成的慣性力叫科氏力,所有座標系旋轉產生的慣性力都叫科氏力。由於科氏力屬於慣性力,是一種人為假設出來的虛擬的力,實際的物體並沒有受到這種力,所以也就不存在慣性力作功的問題。
不過,雖然慣性力不做功,但是我們還是可以計算這個假想力做功的大小,前提是我們的座標系取在旋轉的物體上。這樣,對於這個旋轉座標系上的物體,總覺得有一個側向力,於是就可以按照功的定義,計算出這個側向力的作功。
實際上,我們熟知的重力,G=mg,也是一種慣性力。牛頓把它定義為引力,由於g是重力加速度,愛因斯坦把引力定義成了時空的扭曲,重力其實也不是真實的力,也屬於慣性力。