試論科里奧利效應(yīng)在給排水工程中的應(yīng)用

單曉文

（太原學(xué)院環(huán)境工程系　山西太原　030000）

前言

科里奧利力是由于地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的一種慣性力，對(duì)自然界和人類生活有著不可忽視的影響。本文通過(guò)簡(jiǎn)單的假設(shè)實(shí)驗(yàn)來(lái)探討科里奧利效用原理，同時(shí)列出了科里奧利力的計(jì)算公式。通過(guò)對(duì)科里奧利效用原理研究闡述科里奧利力在給排水工程中的引用，引導(dǎo)人們更加深入地去了解科里奧利力，促使科里奧利效用在給排水工程中發(fā)揮更大更有益的作用。

1　科里奧利效應(yīng)理論概述

1.1　科里奧利效應(yīng)的提出

法國(guó)數(shù)學(xué)家科里奧利在1835年提出科里奧利力，并以此描述為在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性影響在旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生偏移的一種現(xiàn)象。科里奧利力是在牛頓運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)上提出的，以非慣性參照系中的旋轉(zhuǎn)體系為參照系，物體在以旋轉(zhuǎn)體系為參照系下產(chǎn)生的慣性現(xiàn)象則為科里奧利效用。從物理學(xué)的角度觀察，科里奧利力是一種特殊且不存在的慣性力，而科里奧利效用是在非慣性系統(tǒng)內(nèi)考慮。

1.2　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證里奧利效應(yīng)

我們通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè)實(shí)驗(yàn)來(lái)理解科里奧利效應(yīng)的原理：在水平位置放置一個(gè)光滑的圓臺(tái)，圓臺(tái)以恒定的角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，并在圓臺(tái)中心打一孔洞記為o，將一小球與孔洞o通過(guò)細(xì)線連接；小球以一定速度v從圓臺(tái)中心向任意位置發(fā)射。①在理想狀態(tài)下：小球在圓臺(tái)上運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t1在A1點(diǎn)沖出圓臺(tái)，小盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角度為ωt1，小球的運(yùn)動(dòng)距離為oA1。②在實(shí)際狀態(tài)下：由于將地球?yàn)閼T性參照體系，小球在運(yùn)動(dòng)時(shí)有徑向的相對(duì)速度V2，小球在圓臺(tái)上運(yùn)動(dòng)時(shí)間為t2，實(shí)際運(yùn)動(dòng)的位置為A2，且從圓心到達(dá)A2的時(shí)間t2可能小于t1。這就是科里奧利效應(yīng)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)閷⒁暈橘|(zhì)點(diǎn)的球體在運(yùn)動(dòng)體系中所認(rèn)為的勻速運(yùn)動(dòng)與慣性體系中的勻速直線系統(tǒng)不同所導(dǎo)致的。在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中的質(zhì)點(diǎn)，勻速直線運(yùn)動(dòng)是造成質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于圓臺(tái)的速度不變的運(yùn)動(dòng)。而在慣性中系統(tǒng)中，勻速直線運(yùn)動(dòng)是相對(duì)于地面速度不變的運(yùn)動(dòng)。

假如把地球看做位非慣性系統(tǒng)，將地球上運(yùn)動(dòng)的物體視為質(zhì)點(diǎn)，以地球?yàn)閰⒖枷担藭r(shí)物體產(chǎn)生的科里奧利力的表達(dá)式為f·K=-2mω×v，在不考慮其他的情況下，比如南北運(yùn)動(dòng)和東西運(yùn)動(dòng)的物體，如果用矢量分析法中的右手螺旋法則，我們就很容易理解其在運(yùn)動(dòng)軌跡上的偏轉(zhuǎn)。

2　科里奧利效應(yīng)在給排水工程上的應(yīng)用

2.1　江河邊取水站位置的確定

眾所周知，自然地理中有一條從實(shí)際生活觀察總結(jié)的著名規(guī)律——柏而定律，是指即北半球河流右岸比較陡峭，南半球則左岸比較陡峭。為什么會(huì)產(chǎn)生這樣的現(xiàn)象？通過(guò)科里奧利效應(yīng)我們了解在北半球以上的河水由于地球自轉(zhuǎn)和自身河水流動(dòng)速度的共同作用下產(chǎn)生了科里奧利效應(yīng)，通過(guò)右手旋轉(zhuǎn)定則確定出河水偏向右岸。偏向右岸的河水中攜帶大量的泥沙，泥沙在河岸的阻擋下慢慢堆積，這就是為什么北半球河流右岸比較陡峭的原因了。地表水取水站位置的選擇是否得當(dāng)，不但影響取用水的水質(zhì)、水循環(huán)、用水量，而且還影響取水站的投資、施工、運(yùn)行等經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。選擇合適的取水位置是取水站工程的一項(xiàng)重要部分，在選取取水站位置之前我們需要確定的目標(biāo)是：取水位置定于穩(wěn)定的河床和河岸旁，有足夠的流水量和水深。以這為目標(biāo)我們選取的位置應(yīng)該確定在彎曲的河段上，且位置靠向河流的凹岸。因?yàn)樗髟诳评飱W利力和地球自轉(zhuǎn)慣性作用下所形成的凹岸是沒(méi)有泥沙堆積的，并且河水足夠深能保證用水量，是理想的取水地點(diǎn)。

2.2　科氏流量計(jì)

科氏流量計(jì)是市場(chǎng)上一種精確測(cè)量質(zhì)量流量的流量計(jì)，是科里奧利效應(yīng)在實(shí)際生活中最廣泛的應(yīng)用之一。科氏流量計(jì)的工作原理是在科里奧利效應(yīng)為基礎(chǔ)的理論上提出來(lái)的，它是利用了金屬元件材料彈性體的共振特點(diǎn)，金屬元件在有流體流動(dòng)和無(wú)流體流動(dòng)下震動(dòng)的特性不同，通過(guò)震動(dòng)特性的差異來(lái)確定震動(dòng)系統(tǒng)的相對(duì)位差和質(zhì)量流動(dòng)的關(guān)系。科氏流量計(jì)能測(cè)量液體、氣體、液氣混合體和糊狀狀態(tài)下的流體質(zhì)量，主要因?yàn)榭剖狭髁坑?jì)測(cè)量方式能有效減少流動(dòng)體在壓力、溫度、密度、流動(dòng)狀態(tài)等參數(shù)變化下測(cè)量誤差，大大增加了測(cè)量精度。現(xiàn)實(shí)生活中科氏流量計(jì)受到廣大用戶的喜愛(ài)，因?yàn)樵诮o排水工程中相對(duì)于以往通過(guò)測(cè)量流體的密度和體積再計(jì)算得出質(zhì)量的舊辦法，它能直接精確測(cè)量管道內(nèi)流體的質(zhì)量流量等數(shù)據(jù)，大幅度減少了工作量還加強(qiáng)了工作效率，科氏流量計(jì)是一件性價(jià)比高并且實(shí)用的好產(chǎn)品。

2.3　水力混合、反應(yīng)池

科里奧利效應(yīng)在水力混合反應(yīng)池的設(shè)計(jì)上也有廣泛的運(yùn)用，要想設(shè)計(jì)的水力混合反應(yīng)池高效節(jié)能，必須讓反應(yīng)池內(nèi)的水流方向與科里奧利力方向相同。同樣在設(shè)計(jì)盤(pán)管式交換器時(shí)，也要讓盤(pán)管內(nèi)水流方向與科里奧利力作用方向保持一致，水流方向和科里奧利方向保持一致能有效的減少水壓對(duì)盤(pán)管內(nèi)的磨損。在自來(lái)水廠中常見(jiàn)的隔板反應(yīng)池也就是水力攪拌式反應(yīng)構(gòu)筑物，它有回轉(zhuǎn)式和往返重復(fù)式兩種類型，在回轉(zhuǎn)式隔板反應(yīng)池中的水流在反應(yīng)池的轉(zhuǎn)彎處水頭損失較大，損失的水頭降低了反應(yīng)池內(nèi)絮凝效果，在回轉(zhuǎn)式隔板反應(yīng)池的設(shè)計(jì)之中應(yīng)該考慮這部分水頭損失。反應(yīng)池的設(shè)計(jì)結(jié)合科里奧利力效應(yīng)所得出結(jié)論：在北半球上反應(yīng)池的水流方向按順時(shí)針?lè)较蛟O(shè)計(jì)，南半球上反應(yīng)池的水流方向按逆時(shí)針?lè)较蛟O(shè)計(jì)，水流方向與科里奧利力方向相同，減小水頭損失提高工作效率。

3　總結(jié)

科里奧利效應(yīng)是自然界中一種非常重要的效應(yīng)，本文通過(guò)假設(shè)實(shí)驗(yàn)的方式研究科里奧利效應(yīng)原理，將科里奧利效應(yīng)與實(shí)際生活相結(jié)合，探討科里奧利效應(yīng)在給排水工程上的影響和應(yīng)用。

[1]程守洙，江之永.普通物理學(xué)（第五版）.北京：高等教育出版社，2001.

[2]楊 欽，嚴(yán)煦世.給水工程（第2版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

[3]仝 猛，任萍，陳 明.單直管科氏質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)研究[J].航空計(jì)測(cè)技術(shù)，2000，20（4）：7～9.