漫谈科氏力 (Coriolis force)

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　　科氏力，这在一般人的意识中可能没有像重力、浮力、离心力等那样熟悉，但实际上它也是很重要的一个力，与一些自然现象和人类生活有密切关系。

　　当一个物体在旋转系统中沿径向运动时，将受到一个侧向力的作用，其大小正比于物体径向运动速度和旋转系统的旋转速度。这个力就是科里奥利力 (Coriolis force)，有些地方也称作哥里奥利力，简称科氏力。科氏力的计算公式如下：

　　式中，Fc 为科氏力，m 为运动物体的质量，v 为物体的运动速度，ω 为旋转体系的旋转角速度，×表示两个向量的向量积。实际上，由上式可知，即使不沿着径向运动的物体也受到科氏力的作用，只有当物体运动方向与旋转轴方向平行时科氏力才为零。

　　科氏力与离心力一样，都不是真实存在的力，而是惯性效应在非惯性系内(此例中，即旋转系统内)的体现。也就是说，从惯性系的角度看，这力是不存在的。

　　1835年，法国气象学家科里奥利提出，为了描述旋转体系的运动，他在运动方程中引入了一个假想的力——科氏力，这样人们就可以像处理惯性系中的运动方程一样，简单地处理旋转体系中的运动方程。由于人类生活的地球本身就是一个巨大的旋转体系，因而科氏力很快在流体运动领域取得了成功的应用。

　　科氏力效应出现在许多自然现象中：最典型的例子之一就是傅科摆。所有在地球上的摆动都会受到地球自转的影响。只要摆运动的方向与地球自转的角速度方向存在一定的夹角，摆面就会受到科氏力的影响，产生一个与地球自转方向相反的扭矩，从而使得摆面发生转动。1851年法国物理学家傅科预言了这种现象的存在，他用一根长67米的钢丝绳和一枚27千克的金属球组成一个单摆，在摆垂下镶嵌了一个指针，将这个巨大的单摆悬挂在教堂穹顶之上(图1)，实验证实了在北半球摆面会缓缓向右旋转。从而也直接证明了地球自转的存在。

　　图1

　　地球由于自转而有一定的角速度，所以当沿地球表面运动时，就有科氏力出现。例如，设一列火车在北半球沿子午线向北而行，科氏力方向朝右(设脸朝着列车运动的方向)。在此情形下，列车施于右轨道上的压力较其施于左轨道上的压力大。而在南半球上，当列车向南运动时，科氏力的方向朝左(相对于列车进行的方向)。科氏力的存在也能说明北半球的河流对于右岸的冲刷，和南半球的河流对于左岸的冲刷。并且还能够说明北半球上的东北向的信风和南半球上的东南向的信风的发生及其他气象现象(图2)。这也是为什么科氏力这个概念首先被一位气象学家提了出来的原因。

　　图3

　　科氏力有不少应用。科氏力质量流量计，就是根据科氏力原理进行质量流量测量的流量计。它能直接测出液体、气体、多相流和浆料等通过管道的质量流量，并且不受被测流体的温度、压力、密度、粘性和腐蚀性的影响，测量精确度也高。其原理就是因为上述公式中的mv 项正好是质量流量，只要知道了转动角速度ω 和科氏力Fc ，即能算出质量流量了(图3)。在实际设计时，是应用测量出图3中的旋转U型管的扭矩M 来算出Fc 的。

　　图3

　　通过实验和数值模拟发现，当装有加热熔体的容器放在旋转的离心机上(图4)，容器内熔体的环状热对流就会受到科氏力的影响，尤其是热对流引起的熔体的温度脉动，会因图中短粗箭头表示的科氏力作用方向的不同而受到抑制(图右的情况)或放大(图左的情况)，如果温度脉动受到抑制，则有利于晶体生长的质量，而正是离心机的旋转方向决定了科氏力作用方向。人们正在研究将这结果应用到某些人工晶体生长工艺中的可能性。

　　图4

　　来源：力学园地，作者：马文驹。