試論科里奧利效應在給排水工程中的應用

單曉文

（太原學院環境工程系　山西太原　030000）

前言

科里奧利力是由于地球自轉導致的一種慣性力，對自然界和人類生活有著不可忽視的影響。本文通過簡單的假設實驗來探討科里奧利效用原理，同時列出了科里奧利力的計算公式。通過對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揮更大更有益的作用。

1　科里奧利效應理論概述

1.1　科里奧利效應的提出

法國數學家科里奧利在1835年提出科里奧利力，并以此描述為在旋轉體系中進行直線運動的質點由于慣性影響在旋轉體系產生偏移的一種現象?？评飱W利力是在牛頓運動定律的基礎上提出的，以非慣性參照系中的旋轉體系為參照系，物體在以旋轉體系為參照系下產生的慣性現象則為科里奧利效用。從物理學的角度觀察，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內考慮。

1.2　實驗驗證里奧利效應

我們通過一個簡單的假設實驗來理解科里奧利效應的原理：在水平位置放置一個光滑的圓臺，圓臺以恒定的角速度ω轉動，并在圓臺中心打一孔洞記為o，將一小球與孔洞o通過細線連接；小球以一定速度v從圓臺中心向任意位置發射。①在理想狀態下：小球在圓臺上運動時間為t1在A1點沖出圓臺，小盤轉過的角度為ωt1，小球的運動距離為oA1。②在實際狀態下：由于將地球為慣性參照體系，小球在運動時有徑向的相對速度V2，小球在圓臺上運動時間為t2，實際運動的位置為A2，且從圓心到達A2的時間t2可能小于t1。這就是科里奧利效應，出現這種現象的原因是因為將視為質點的球體在運動體系中所認為的勻速運動與慣性體系中的勻速直線系統不同所導致的。在運動系統中的質點，勻速直線運動是造成質點相對于圓臺的速度不變的運動。而在慣性中系統中，勻速直線運動是相對于地面速度不變的運動。

假如把地球看做位非慣性系統，將地球上運動的物體視為質點，以地球為參考系，此時物體產生的科里奧利力的表達式為f·K=-2mω×v，在不考慮其他的情況下，比如南北運動和東西運動的物體，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動軌跡上的偏轉。

2　科里奧利效應在給排水工程上的應用

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際生活觀察總結的著名規律——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。為什么會產生這樣的現象？通過科里奧利效應我們了解在北半球以上的河水由于地球自轉和自身河水流動速度的共同作用下產生了科里奧利效應，通過右手旋轉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，不但影響取用水的水質、水循環、用水量，而且還影響取水站的投資、施工、運行等經濟效應。選擇合適的取水位置是取水站工程的一項重要部分，在選取取水站位置之前我們需要確定的目標是：取水位置定于穩定的河床和河岸旁，有足夠的流水量和水深。以這為目標我們選取的位置應該確定在彎曲的河段上，且位置靠向河流的凹岸。因為水流在科里奧利力和地球自轉慣性作用下所形成的凹岸是沒有泥沙堆積的，并且河水足夠深能保證用水量，是理想的取水地點。

2.2　科氏流量計

科氏流量計是市場上一種精確測量質量流量的流量計，是科里奧利效應在實際生活中最廣泛的應用之一?？剖狭髁坑嫷墓ぷ髟硎窃诳评飱W利效應為基礎的理論上提出來的，它是利用了金屬元件材料彈性體的共振特點，金屬元件在有流體流動和無流體流動下震動的特性不同，通過震動特性的差異來確定震動系統的相對位差和質量流動的關系?？剖狭髁坑嬆軠y量液體、氣體、液氣混合體和糊狀狀態下的流體質量，主要因為科氏流量計測量方式能有效減少流動體在壓力、溫度、密度、流動狀態等參數變化下測量誤差，大大增加了測量精度?，F實生活中科氏流量計受到廣大用戶的喜愛，因為在給排水工程中相對于以往通過測量流體的密度和體積再計算得出質量的舊辦法，它能直接精確測量管道內流體的質量流量等數據，大幅度減少了工作量還加強了工作效率，科氏流量計是一件性價比高并且實用的好產品。

2.3　水力混合、反應池

科里奧利效應在水力混合反應池的設計上也有廣泛的運用，要想設計的水力混合反應池高效節能，必須讓反應池內的水流方向與科里奧利力方向相同。同樣在設計盤管式交換器時，也要讓盤管內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盤管內的磨損。在自來水廠中常見的隔板反應池也就是水力攪拌式反應構筑物，它有回轉式和往返重復式兩種類型，在回轉式隔板反應池中的水流在反應池的轉彎處水頭損失較大，損失的水頭降低了反應池內絮凝效果，在回轉式隔板反應池的設計之中應該考慮這部分水頭損失。反應池的設計結合科里奧利力效應所得出結論：在北半球上反應池的水流方向按順時針方向設計，南半球上反應池的水流方向按逆時針方向設計，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

科里奧利效應是自然界中一種非常重要的效應，本文通過假設實驗的方式研究科里奧利效應原理，將科里奧利效應與實際生活相結合，探討科里奧利效應在給排水工程上的影響和應用。

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