神奇的科里奧利力

陳明暉

隨著各種天氣活動的變化，你可曾關注過天氣預報中的氣象云圖，云圖中北半球的氣旋往往是逆時針旋轉，而南半球的氣旋卻是順時針轉動，這是為什么呢？原來這是受到了地球自轉偏向力，也就是科里奧利力的影響，其表現是在旋轉運動的體系中，由于慣性，原本進行直線運動的物體，總是相對于旋轉體系產生運動方向偏移。那么，科里奧利力到底是如何影響運動方向的呢？

在中國科技館“探索與發現”A廳的“運動之律”展區，就有這樣3件展品——“科里奧利力噴泉”“傅科擺”和“傅科擺小實驗”，會帶你領略科里奧利力的奧秘。

科里奧利力噴泉

展品“科里奧利力噴泉”主要由可旋轉的轉臺、水流噴射裝置（噴泉）和操作手輪組成，如圖1所示。可進行水流噴射的噴泉裝置位于可旋轉的轉臺上，分為由外向內噴射和由內向外噴射2組。當你轉動手輪使轉臺旋轉時，噴泉開始噴水，這時可以看到旋轉中的噴泉水流都發生了偏轉，內、外噴泉水流的偏轉方向相反。如果反向轉動手輪，轉臺開始反向轉動，這時內、外噴泉水流的偏轉方向也相應發生反向，且二者偏轉的方向依然相反。轉臺轉動的速度越快，水流偏轉就越厲害。當轉臺停止轉動時，內、外噴泉水流不再發生偏轉。以上現象如圖2所示。那么，科里奧利力到底是一種什么樣的力，又是怎樣使轉動的噴泉水流發生偏轉的呢？

這里，我們通過圖3進行分析。當忽略摩擦力時，在順時針旋轉的圓盤中，從A點沿圓盤直徑方向以速度Vr向B點拋出小球。A、B兩點都在圓盤上做旋轉的圓周運動，二者都有沿轉動方向的切向速度Va和Vb，且切向速度的大小正比于距離中心點的距離，Va>Vb。這樣，拋出的小球在從A運動到B的過程中，從圓盤上沿途路過的點來看，小球具有的初始切向速度Va相對于沿途點在切向運動方向上是逐漸向前超越的，二者的速度差即Va-Vb正比于向中心運動的距離而越來越大。這樣，從轉動的圓盤來看，拋出的小球在沿切向方向做勻加速運動（每個瞬間），根據牛頓第二定律對加速度的解釋，這等效有個慣性力切向作用于拋出的小球上（沿Va的方向）。反之，如果從B點向A點拋出小球，從轉動圓盤上沿途的點來看小球在沿切線方向減速運動，等效慣性力的方向就與轉動的切向方向相反了。這種在轉動參考系中觀察到的運動物體（由于轉動參考系中各點的線速度不同而產生）的加速現象就是科里奧利效應，產生此效應的虛擬的慣性力叫科里奧利力，這是1835年由法國氣象學家科里奧利提出的。科里奧利力和離心力一樣是一種慣性力，并不是一種真實的力，而是一種效應力。

你可以用上面的方法分析展品“科里奧利力噴泉”的情況，就會發現它與實際現象一致。

氣旋是大氣中常見的運動形式，也是影響天氣變化的重要天氣系統。在氣壓梯度力和地球自轉產生的科里奧利力的共同作用下，大氣并不是徑直對準低氣壓中心流動。如圖4所示，地球自西向東自轉，低氣壓氣流在北半球向右偏轉成按逆時針方向流動的大旋渦（即氣旋），在南半球向左偏轉成按順時針方向流動的大旋渦。夏秋季節，在我國東南沿海經常出現的臺風，就是熱帶氣旋強烈發展的一種表現形式。

科里奧利力不僅會影響大氣，還會影響地面上的河流。在北半球，河水在地轉偏向力作用下，對右岸沖刷甚于左岸，長期積累的結果，右岸比較陡峭；而在南半球，河水對左岸沖刷較厲害，這就是地理學中著名的柏而定律。科里奧利力對鐵路的影響是：在北半球，行駛的火車對右邊鐵軌內側磨損得更厲害，相應的，火車的右側車輪也會磨損得更多些；而在南半球，它卻使左邊鐵軌內側磨損得更厲害。科里奧利力在軍事中也有影響，

“一戰”期間，德國為轟炸巴黎曾專門制造了一門超遠程的“巴黎大炮”——炮身重達750噸，初速度達到1.7千米/秒。但是，令人們感到奇怪的是，當德國軍隊從110千米外用巴黎大炮轟擊巴黎時，炮彈競偏離了目標約1.6千米。你應該能夠猜到，這個大炮的炮彈肯定是偏向了射擊方向的右側，就像逆時針旋轉的科里奧利力噴泉一樣。這些射程超遠的遠程大炮和彈道導彈，在計算彈道時一定要考慮到科里奧利力的影響，它在南北半球射擊時的偏轉和修正方向正好相反，神奇吧！

傅科擺

展品“傅科擺”由懸吊的擺錘、地球模型、環形刻度盤等裝置組成，如圖5所示。它通過電動裝置擺錘起擺后，在地球模型上往復擺動，擺動一端經過的刻度時間會亮起。刻度盤一圈標有37個刻度，如果你長期觀察，會發現傅科擺擺動的平面在沿逆時針慢慢扭動，逐漸點亮所有經過點的刻度燈光，37個小時后擺動面扭動1周后回到最開始的擺動位置。

擺錘可以看作一種往復轉動的陀螺，在地球上的擺動會受到地球自轉的影響，只要擺面即陀螺轉動的平面與地球自轉的角速度方向存在一定的夾角，擺面就會受到科里奧利力的影響，而產生一個與地球自轉方向相反的扭矩，從而使得擺面發生轉動，這就像陀螺傾斜的自轉軸也會繞豎直中心軸轉動的現象一樣。1851年，法國物理學家傅科預言了這種現象的存在，并且用實驗證明了這種現象，他用1根長67米的鋼絲繩和1枚28千克的金屬球組成1個單擺，在擺錘下鑲嵌了1個指針，將這個巨大的單擺懸掛在教堂穹頂之上擺動，證實了在北半球擺面會緩緩向右旋轉（傅科擺隨地球自轉）。由于傅科首先提出并完成了這一實驗，因而該實驗被命名為傅科擺實驗。

傅科擺小實驗

展品“傅科擺小實驗”由帶有啟動按鈕的2組裝置組成，其中一組裝置包含1個左右平移的活動板和1個逆時針旋轉的活動板，分別代表赤道和南極點附近的運動；相似的另一組裝置同樣包含1個左右平移的活動板和1個順時針旋轉的活動板，分別代表赤道和北極點附近的運動。活動板上都裝有支架懸掛著金屬球，如圖6所示。按下啟動按鈕后，活動板分別開始左右水平移動或者順（逆）時針方向轉動，這時拉起懸掛在支架上的金屬球，再松開手后觀察金屬球擺動的過程，你會發現，代表在赤道位置（平板左右移動）上擺動的小球擺動平面相對于活動板沒有變化，而代表南北極位置（平板旋轉）處擺動的小球擺動平面相對于活動板發生了扭動，順時針旋轉的北極活動板上的擺動平面相對活動板發生逆時針扭轉，逆時針旋轉的南極活動板上的擺動平面相對于活動板發生了順時針扭轉。

現在，你見識到科里奧利力的神奇了吧！那么請你思考：在旋轉的產生人造引力的太空站中，科里奧利力將會發揮怎樣的影響呢？