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1、生活中的惯性力和科里奥利力及后者在自然界中的效应摘要:本文主要通过举例介绍了惯性力和科里奥利力的概念, 并且列举了自然界中科里奥利力的效应。关键词:非惯性系、惯性力、科里奥利力、转动系、科氏力 学现象。一、引言我们熟知的牛顿力学的基本定律,只在惯性系中成立。然而, 宇宙中并不存在严格意义上的惯性系,所以在实际问题我们不得不 和非惯性系打交道。例如,地球上加速运动的汽车、游乐场的旋转 木马,还有我们自转着的地球都不是惯性系。在非惯性系中,通过 引入惯性力这样的概念,就能使得牛顿运动定律也能在非惯性系中 得到利用。而后讲到的科里奥利力,则是惯性力在转动系中的特殊 情况。二、惯性力惯性力是指当物体加
2、速时,惯性会使物体有保持原有运动状态 的倾向,若是以该物体为坐标原点,看起来就仿佛有一股方向相反 的力作用在该物体上,因此称之为惯性力。因为惯性力实际上并不 存在,实际存在的只有原本将该物体加速的力,因此惯性力又称为 假想力。例如,在生活中,我们坐公交车时经常会有司机突然急刹车的 经历,这个时候我们往往会向前倾。我们仔细想一想会发现,刹车 的这个时候,作为乘客的我们是没有受到一个使我们身体前倾的这 样一个力的,这仅仅是惯性在不同参考系下的表现而已。由于公交 车刹车时相对地面有向后的加速度,如果以公交车为参考系的话, 那么我们乘客就有向前的加速度了,记为a*。进而我们就受到一个 向前的力F*=m
3、 x a* (其中m为我们的质量)。这个F*实际上是 不存在的,也就是我们所讲到的惯性力(或者假想力)。这样看来, 在公交车这个非惯性下,只要引入了这个惯性力,我们就依旧能利 用牛顿运动定律来解决一些问题了。三、科里奥利力惯性力有很多特殊情况。像如果在转动的参照系中引入的话, 如果物体相对于匀速转动的参照系静止,我们就会得到惯性离心力; 而若物体相对于匀速转动的参考系有相对运动的,那么就有一种附 加的力出现,也就是科里奥利力。申(h)心B 2. 35如图,假设在A点设一个质量为m的小球(AB方向上有一个 光滑槽)。若小球仅有径向速度Vr ,At内会运动到B点(a );若小 球随圆盘一起匀速转动
4、,则At内会动到C点(b );但是如果这两 方向速度都具有的话,小球则会到大D点(c ).我们仔细来看一下,如果把小球的径向速度Vr和切向速度wr 合成,贝小球理应在公时间内到达D点,但小球实际上到达的是D 点。这就表明槽对小球作用有沿切线或圆弧方向的力,它使得小球 获得了切向加速度,并且是小球多走出弧长DD。因为At很短,可 设小球以恒定加速度a*多走出了弧长DD。由DD=%x a*x(At) 2, 于是得至U a*=2xwxVr也就有F*=2mwVr。以上槽壁给小球的约束力是真是存在的。但我们从圆盘转动系 统来看,小球做惯性运动,故必定受到一个大小与槽壁的约束力 F* 相反的力与之平衡。类
5、似于惯性力的定义,我们将这个假想力定义 为科里奥利力(其实就是惯性力在 转动系的特殊情况)科氏力 Fc 经判断,得公式Fc=2mVrxw。、自然界中的科里奥利效应我们生存的地球是一个转动参照系,所以地面上所有质点的运动都会受到科氏力的影响,因此自然界中的科里奥利效应是比较丰 富的,下面简略给出一些例子。(1) 河岸被冲刷在北半球运动的物体总受到从左侧指向右侧的力,由于科里奥利效应,河水的流向将向右偏转,加强了对右岸的冲击。因此,北半球河床的右岸受到比较严重的冲刷,右岸比较陡峭。在 我国黄河流域的河套地段,这一现象尤为明显。相反,在南半球, 左岸就比较陡峭。(2) 大气环流和涡流由于地球自转,形
6、成大气环流,赤道附近热空气上升,引 起两极空气向赤道方向流动,即形成了信风。北半球信风自北 向南,在科氏力的作用下,这股向南的气流就会偏西,形成东 北信风。而南半球就形成东南信风。至于涡流的形成也是与科氏力有关的。当地表某处遇热时, 热空气上升形成低气压,外面的高气压空气想低气压中心流动。 由于科氏力的作用,在北半球气流方向将向流动方向的右方偏 转,从上俯瞰的话,就会看到形成了逆时针方向的漩涡。除了这些之外,自然界中科里奥利效应还有落体偏东现象、 傅科摆、复现火车等等。所以总的来看,利用科里奥利效应, 可以解释生活中很多看似解释不通的现象,它的意义和作用是 显著的。五、结语通过以上的分析,我们
7、可以发现,当我们把惯性力和科里 奥利力引入后,可以使很多非惯性系下的复杂问题变得简单明了, 也使我们更好的理解了生活中一些只用牛顿运动定律无法解释的现 象。尤其是科里奥利力与地球上物理运动的结合,更使我们了解了 关于大自然的河流流向、大气环流、气候表现等等看似离我们很遥远的难以研究的现象。所以说,在生活中,我们要处处留心,勤于 思索,就能找到看似复杂的现象背后有趣的知识,并且利用这些知 识,改善我们的生活。参考文献(1)普通物理学教程力学 ,漆安慎、杜婵英编著,高等 教育出版社。(2)基础物理学上册,李承祖、杨丽佳主编,科学出版 社。(3)文科物理,裔式铤编著,上海交通大学出版社。(4)大学物理上册,苟秉聪、胡海云主编,国防工业出 版社。