剛體運動學(8):科里奧利效應

剛體運動學(7)中,我們從剛體微小角度轉動出發,推導了算符方程

\left(\frach7p766d {dt}\right)_{s} = \left(\fracvf9lfhn {dt}\right)_{b} + \boldsymbol{\omega} \times\\

它常常被人用來研究質點或質點系相對旋轉參考系的運動,其中最重要的一類問題要屬粒子在相對地球參考系的運動。

\bullet通常,一個位于正在自轉的地球上的參考系可以被近似地視為慣性系,但當我們需要研究地球以外質點的運動時,一個相對最近恒星(太陽)靜止的參考系才是更理想的參考系。

相對地面參考系,一個質點的位置可由位矢\mathbf{r}表示,代入算符方程后有

\mathbf{v}_s = \mathbf{v}_r + \boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}\\

其中\mathbf{v}_s是質點相對慣性參考系的速度,\mathbf{v}_r是質點相對轉動參考系的速度,\boldsymbol{\omega}是地球相對慣性參考系的恒定角速度。

若要得到加速度,將\mathbf{v}_s再次代入算符方程

\begin{align*}\left(\frac{d\mathbf{v}_s} {dt}\right)_s = \mathbf{a}_s &= \left(\frac{d\mathbf{v}_s}{dt}\right)_r + \boldsymbol{\omega} \times \mathbf{v}_s \\&= \mathbf{a}_r + \left.\fracbaiyl0y{dt}\right|_r (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}) + \boldsymbol{\omega} \times \mathbf{v}_r + \boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})\\&= \mathbf{a}_r + 2(\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{v}_r) + \boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})\end{align*}\\

根據牛頓運動方程

\mathbf{F} = m\mathbf{a}_s\\

\implies \mathbf{F} - 2m(\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{v}_r) - m\boldsymbol{\omega}\times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r}) = m\mathbf{a}_r \\

可見,對于位于轉動參考系的觀測者而言,質點在等效力\mathbf{F}_{\text{eff}}的作用下運動與位于慣性參考系觀測者觀察到的運動情況不同。

等效力中的最后一項-m\boldsymbol{\omega} \times (\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{r})離心力(centrifugal force),第二項-2m(\boldsymbol{\omega} \times \mathbf{v}_r)科里奧利力(Coriolis force)

\bullet我們在地球表面實際測量到的重力效應的一部分來自于地球質量分布產生的引力場,而另一部分則是來自于離心加速度。所以為了與地球的引力場(gravitational field)區分開,我們通常將二者的合效應場稱為地球的重力場(gravity field)。由于重力場與引力場的等勢面不相同,于是離心加速度對地球產生形變作用,將其變向兩邊拉扯為了一個橢球體。地球的平均海拔與平衡狀態的橢球體模型基本吻合,我們將這一海拔定義為大地水準面(geoid)

\bullet在地球表面,科里奧利力的主要效果體現在偏斜拋射物的運動方向。使用右手螺旋定則,不難得到,在北半球,角速度\boldsymbol{\omega}指出地面,拋射物的會被向右偏斜;在南半球,角速度\boldsymbol{\omega}指入地面,拋射物會被向左偏斜;在沿赤道附近,由于角速度\boldsymbol{\omega}與地面平行,科里奧利力為零。

\bullet科里奧利效應在海洋學與氣象學中有重要意義,常常出現于信風與灣流等氣象研究中。

由于豎直方向的氣團在重力作用下基本保持平衡,氣團主要沿水平方向運動。氣象學中一個最簡化的研究模型就是大規模水平風循環:氣團在氣壓梯度下從高壓地帶運動至低壓地帶。我們將進行這類運動的氣團稱為氣壓梯度流(pressure-gradient flow)

信風在北半球受到科里奧利力時的偏斜情況

如圖,氣壓梯度通常垂直于等壓線,從高壓地帶指向低壓地帶,空氣團順著氣壓梯度的方向運動。

在北半球,運動速度則會朝右偏斜,直到速度方向平行于等壓線,科里奧利力消失,繞著低壓地帶進行循環,便形成了地轉風帶。

\bullet傅科擺(Foucault pendulum)同樣為科里奧利效應的存在提供了實驗支持。

\bullet在原子物理中,多原子高分子間也存在著科里奧利效應,主要因分子間的轉動和振動的相互作用產生。

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