卡皮罗现象与科里奥利力涡流 卡皮罗现象与科里奥利力 涡流 卡皮罗现象与科里奥利力(涡流)2022年04月07日 卡皮罗现象与科里奥利力〔涡流〕 20世纪40年头科学家卡皮罗在每次试验后，把污水倒入水槽时发觉在漏水口处形成的旋涡总按固定的方向旋转，这个现象引起了他的留意于是在水流下时他存心用手指向相反方向搅动，但手离开后旋涡又复原原来的旋转方向这是否与漏水口的形态有关？于是他做了很多不同形态的漏水口，但试验结果总是一样他对此困惑不解，于是他到世界各地去做同样的试验，使他大为惊异的是在南半球水流旋涡的方向与北半球刚好相反，在北半球是逆时针的而在南半球是顺时针的，在赤道旁边两种状况几乎各有一半卡皮罗喜不自胜，他最终找到了结论，旋涡的方向与在地球上所处位置有关后来人们把这种现象称为卡皮罗现象 事实上，卡皮罗现象是地球在自转过程中由于惯性引起的一种所谓科里奥利力造成的在北半球这个偏向力是向右的，它会使得水在向下流时形成逆时针方向的旋涡在南半球那么刚好相反为顺时针方向在自然界里卡皮罗现象的另一形式是龙卷风无论是在广袤的平原还是浩瀚的大海上产生的陆龙卷和海龙卷，人们发觉在北半球它们的旋转方向大多是逆时针的。
在北京天文馆的傅科摆每隔37hl15min钟摆平面作顺时针转动一周也是科里奥利力作用的结果科里奥利力是一个重要但又简单被一般人所无视的力例如在北半球火车由南向北快速行驶时右边轨道上所受的压力要大些，由南向北的河流东岸受冲刷较厉害，这些现象都可用科里奥利力来说明，另外在放射远程导弹、气象预报、航海、航空中气泡水准仪的设计等方面也要考虑到科里奥利力的影响 地转偏向力如何形成 当空气环围着旋转的地球外表远距离移动时，它最初的向东的动量在地表起先变更我们知道，地球是由西向东旋转的，赤道地区旋转的线速度最 大，随着纬度越高，线速度越来越小，到了极点减为零设想空气从低纬度地区移向北极：在最初，空气是具有与源地一样的向东速度的；当空气接近极点时，在那儿的地球转动为零，而这股空气却接着保持着它原来的向东的动量〔假设没有因为摩擦而耗损的话〕，于是它会相对于目的地的地表转向东面这样，即使空气以相当直的路途越过纬线向极地方向前进，相对于地球，它看起来会是同时朝东转向越过经线 一个名叫古斯塔·加斯佩德·科里奥利的法国人在1835年最先用数学方法描述了这种效应，所以科学界用他的姓氏来命名此种力。
我们通常也称它为地转偏向力在北半球，科里奥利力使风向右偏离其原始的路途〔往北去的风〕；在南半球，这种力使风向左偏离〔往南去的风〕风速越大，产生的偏离越大于是，在北半球，当空气向低压中心辐合时会向右弯曲，〔总趋势是向右弯曲因为南侧距地轴远，线速度大，相比拟北方，对作用点影响就大〕形成了一个逆时针方向的旋转气流〔因为南来的风向东偏，北来的风向西偏，形成右旋气流，从空中俯视为逆时针方向〕从高压中心辐散出来的空气，因为向右弯曲而形成了逆时针方向的旋风我们把逆时针旋转的叫做气旋，把顺时针旋转的叫做反气旋在南半球，上述的情形正好相反 科里奥利效应使风在北半球向右转，在南半球向左转此效应在极地处最明显，在赤道处那么消逝假如没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤道低压地区 科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向渐渐减弱直到消逝在赤道处这就是为什么台风只能仅仅使云形成在5纬度以上的地区 科里奥利力不仅仅对风产生影响，任何一个环绕地表的远距离运动都会受到它的戏弄在一战期间，德军用他们引以骄傲的射程为的大炮轰击巴黎时，懊恼地发觉炮弹总是向右偏离目标直到那时为止，他们从没担忧过科里奥利力的影响，因为他们从没有这样远距离的开火。
当然，对于近距离的运动，科里奥利力影响微小从场地一边把篮球抛到另一边的运发动，考虑科里奥利力的影响而须要调整自己投球的偏移量为当你拔掉盥洗池的橡皮塞时，会发觉有时水流并不是逆时针旋转流走的，因为 科里奥利力几乎没有足够的时间来影响水这样短距离的运动，水流的形态更多地受到水池形态或者水龙头喷射角度的影响 在大气层的高处，科里奥利效应是一个重要的因素在大约或更高的地方，空气没有与大山、树木的摩擦，它能够不断地增加力气并到达惊人的速度当气压差不断地把这些风推向低压地区时，空气就会受科里奥利力的影响而转向，最终会沿着等压线吹动 TIP：定位风暴19世纪比利时气象学家白贝罗应用科里奥利效应找出一条规律，发觉最近的风暴：在北半球，当你背风而立，风暴在你的左侧〔因为摩擦而耗损能量，致风速顺地球转动方向减弱，而人因固定于地面，不受影响就觉着风从左侧刮过来〕；在南半球，那么在你的右侧 为什么河中心的水流速最快，越靠近岸边的水流速越慢，而且还有很多旋涡？漩涡的方向是什么？水〔液体大都如此〕具有粘持性，边缘的水与河岸摩擦而减速，边缘的水与河中心的水由于粘持性而形成速度梯度，使河中心的水流速最快，越靠近岸边的水流速越慢。
梯度很大时形成漩涡，漩涡的方向是河中心处沿水流方向另：在河底的水流和岸边的水流状况一样此处的漩涡的方向不是固定的，与水流方向和速度有关浴缸放水时漩涡的方向受地球自转和不同纬度的影响，北半球总是沿逆时针方向，南半球总是沿顺时针方向 因此，地转偏向力是由于地球自转而产生的作用于运动空气的力，也称科里奥利力它只是在物体相对于地面有运动时才产生物体处于静止状态时，不受地转偏向力的作用它的方向同物体运动的方向相垂直，大小同风速和所在纬度的正弦成正比它只能变更物体运动的方向，不能变更物体运动的速率在北半球，它指向物体运动方向的右方，使物体向原来运动方向的右方偏转；在南半球那么相反，使物体向原来运动方向的左方偏转在风速一样的状况下，它随纬度的增高而增大赤道上地转偏向力等于零；在两极，地转偏向力最大由于它的作用，北半球河流流向的右岸受到流水的冲刷比左岸要厉害一些，因而右岸往往比左岸要稍陡一些当然也必需看到，地转偏向力不是对全部物体的运动都有同等的重要意义在探讨某些物体运动时，因为地转偏向力比其他的作用力小得多，可以忽视不计，但在探讨大范围空气运动时，它是个很重要的作用力，必需加以考虑 几个经典的错误会释 当我们运用洗脸池或者抽水马桶后放水时，水流通常要形成漩涡从排水孔流出。
为什么会形成漩涡呢？热心的物理学家这样告知我们：由于地球本身的自转，使得在其外表流淌的液体和气体〔或称为流体〕，受到“科里奥利力”的作用科里奥利是19世纪法国数学家，他发觉在旋转球体上移动的物体，会偏离其运动轨迹这很简单理解，把等角速度旋转的物体本身看成是一个非惯性系，那么其中运动的物体受到惯性力的作用；特殊是，一个惯性力垂直于矢弪方向，是因为沿矢弪方向移动时候，其线速度会发生变更，也就是产生了加速度，这就是受力方向在地球北半球，科里奥利力造成流体逆时针旋转，在南半球那么顺时针旋转 物理学家对科里奥利力或科里奥利效应的理解肯定精确，但运用科里奥利效应来说明抽水马桶水的漩涡那么大错特错科里奥利效应在说明洋流、大气环流之类大规模运动的流体时是成立的但是，对抽水马桶的水流，科里奥利效应那么几乎毫无影响马桶旋转水流的2端，由于地球自转造成的影响几乎是完全相等的，即使有略微不同，也平安无法造成剧烈的水流 考虑水的漩涡形成，就先要知道，大气中远处不在的大气压和地球自转产生的地心引力大气压和地心引力的作用力方向是相同的，大气压向地心方向作用力在设计洗漱盆及马桶还有一些下水设施的时候，都参照了地心引力的作用，在水池的下水处，均设计成漏斗状，并且在一些高级卫浴设备的排水处，还有螺旋纹，使水流更适应地心引力，顺当更快速地排走。
水还有着这样的特性：在同一地点的两旁，假如水流方向相反，就会在这一点产生漩涡；在急流旁边的水，因为流速比急流慢，所以也会形成漩涡 大水流在通过小口径排水管道时，不能瞬间流走大气压对全盆的水产生向下的压力，地心对翻开的管口局部的水产生引力，两力同时作用，使距离排水口最近的水向下流淌，而其它地方的水受到大气压力作用，也向排水口运动，但管口过小，就会出现管口处的水面比盆中其他处水面低的现象而在盆中流淌的水中，只有在排水口的水流最急，排水口旁边的水流较缓，渐渐形成了漩涡 那么，马桶时如何造成水流旋转呢？细致视察即可发觉，答案是马桶边缘的出水孔马桶设计人员使水从边缘沿着切线方向喷出，这样造成水流的剧烈旋转但是，洗脸池和浴缸并没有侧向水流，为什么也会产生深深的漩涡呢？答案也不是科里奥利效应缘由在于，水在流向排水孔时，不能把孔完全盖住，否那么，空气跑不出来，水也流不下去因此，水流必需“排队等候”流入排水孔漩涡就是水流排队的方式通常，对于某个马桶，漩涡方向是固定的这因为排水孔中心并不严格处于马桶或者浴缸的中心，这样，初始的随机偏转效应会累积，最终形成固定的旋转方向 不坚信吗？多做几个试验吧。
伯努利也是一位数学家和物理学家，他在1738年发觉，当流体的流速提高，外表的静压力会降低这个现象称为“伯努利原理”，而几乎全部的物理学教材和科普文章，都运用这个原理，探讨机翼升力的产生为了说明这个原理，通常，他们首先会让你拿出2片纸，并用力在纸的中间吹气，瞧，2张纸像粘在一起了！机翼的上外表是拱起的，而下外表是平坦甚至凹进去当气流通过机翼外表， 机翼上方空气流速较快，而下面空气流速较慢依据“伯努利原理”，下面气流造成的静压力大于上方气流的压力，于是，机翼受到一个向上的作用力，飞机就飞了起来 缺憾的是，这是完全错误的而运用“伯努利原理”说明飞机的升空也是“白努力” 伯努利效应可以说明一局部升力的来源，但这是特别小的一局部假如飞机仅仅依据“伯努利原理”飞行，机翼形态必需特别“拱起”，或者，必需要飞得特别快才行 飞机的升力主要由另外2个效应供应一个是康达效应；另一个是气流冲击效应 康达效应指的是，气流流经机翼曲面时，气流会紧贴机翼外表〔这当然也有一 点伯努利效应的含义〕这样，机翼的形态有效地变更了气流的方向，使离开机翼的气流相对飞机作向下的高速运动机翼推开气流，但这个运动受 力的反作用力作用于机翼上，相当于气流也在推开机翼，这个力使得机翼向上举起。
另一个重要的效应是气流冲击效应当一块平板的方向不是与气流运动方向严 格垂直，那么，平板会受到气流的冲击飞机的机翼与其自身有必须倾角〔4度左右〕 ，特殊是，当飞机起飞时，要把机头高高抬起，形成更大的倾角，这样在低速时，也可以获得较大的气流冲击效应，以便使几十吨的飞机起飞但是，机翼的倾角并不是完全用于供应升力，更多的是为了维持飞机本身的气动布局，以保证飞机在飞行时侯的气动平衡 飞机是一个特别困难的气动力学系统，设计师必需保证飞机在x,y,z几个方向上受力平衡这就是飞机为什么须要机翼、尾翼、垂直尾翼的缘由〔那种像飞碟一样的无尾翼飞机设计起来是特别麻烦的〕；此外，为了*控飞机，机翼上都开有活动襟翼，因此要细致分析飞机的受力很不简单这也是飞机设计原型为什么要进展风洞试验的缘由 这是一个典型的错误会释 自行车只有2个轮子，却为什么可以保持平衡呢？甚至，高手在骑车的时候，可以双手离开车把，任由车子向前走而不担忧摔倒〔但要担忧前面咆哮而来的汽车〕物理学家拿出一个陀螺，放在地上转一下，并起先用鞭子用劲抽打它，随着陀螺越转越快，陀螺也像不倒翁一样，虽然只有一个尖着地，却左右摇摆而不愿倒下。
这就是陀螺效应：旋转的物体有保持其旋转方向〔旋转轴的方向〕的惯性 陀螺只有一个旋转方向，已经很稳定了而自行车有2个轮子，明显自行车轮子在高速。