觀察科里奧利力的裝置研究

摘 要：針對科里奧利力難以覺察，不易理解的問題，研制一種觀察科里奧利力的裝置，該裝置集機電為一體，通過電機帶動減速傳動機構，使其水盆及噴水管順或逆時針旋轉，其裝置上的噴水管噴出的水在旋轉偏向力的作用下形成拋物線狀，由此現象直觀說明科里奧利力。

關鍵詞：水線條軌跡；旋轉體系；科里奧利力

1 研制背景及意義

當一個質點相對于慣性系做直線運動時，相對于旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉體系，我們認為有一個力驅使質點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力。科里奧利力是運動物體由于慣性而在轉動的參照系中表現出來到一種“慣性力”，根據牛頓力學的理論，以旋轉體系為參照系，這種質點的直線運動偏離原有方向的傾向被歸結為一個外加力的作用，這就是科里奧利力。

科里奧利力現象常常發生在我們身邊，由于地球自轉偏向力很小，科里奧利力被其他作用力的效應所掩蓋。所以其效應在日常生活中很難覺察，科里奧利力也是力學教學中的難點，課堂上用理論講解，不易使學生聽懂。因此，研制觀察科里奧利力的裝置對研究科里奧利力、利用科里奧利力，普及科學知識均有重要意義。

2 觀察科里奧利力的實驗原理

（1）接通水泵電源，水泵開始從水箱內抽水，噴水管的十一個噴水孔噴出水形成十一股細細的水線條。觀察并記錄水盆及噴水管未旋轉時噴水管噴出的水形成的十一股水線條的軌跡現象。

（2）通過SB1轉換開關選擇是否接通電抗器 L，確定水盆 “快”或“慢”旋轉轉速。同時通過SB2轉換開關選擇是否接通電容C，改變主電動機旋轉方向，確定水盆是按“順時針”或是按“逆時針”方向旋轉，這樣觀察水盆及噴水管改變旋轉方向及旋轉速度時，噴水管的十一個噴水孔噴出的水形成的水線條軌跡同時發生變化的現象及噴水管的十一個噴水孔距水盆旋轉中心遠近分別不同時，噴水管的十一個噴水孔噴出的水形成的水線條軌跡各異的現象。

（3）當水盆儲水較多時，關機將回水軟管與安裝在水盆出水口的閘門連接，取下閘門的堵水塞子將盆內的水放回水箱，當水盆內的水回歸至水箱完畢，將堵水塞子仍舊塞住閘門出水口，若需繼續觀察，又重復前面步驟。

3 特色與創新

（1）當接通水泵電源，水泵抽水，主電動機M2未啟動，水盆及噴水管不轉動，這時可觀察到從噴水管的十一個噴水孔噴出的水形成的十一股水線條直接噴向水盆底的中線，從而看出噴水孔噴出的水形成的水線條軌跡直線度基本上不受科里奧利力的影響。當接通主電動機電源，主電動機帶動水盆及噴水管旋轉，這時可觀察到除噴水管長度的1/2處即大致對正水盆旋轉中心的一個噴水孔噴出的水形成的一股水線條的軌跡仍舊大致直指向水盆旋轉中心外，其余的噴水孔即從噴水管軸向方向從中心兩側由近至遠排列的噴水孔，噴出的水形成的水線條的軌跡均成拋物線狀依次遞增偏離水盆底中線，由此現象說明科里奧利力，因為噴水管長度的1/2處即大致對正水盆旋轉中心的一個噴水孔噴出的水形成的水線條軌跡直線度基本上不受科里奧利力的影響或影響較小，所以該水線條形成的軌跡大致指向水盆旋轉中心；噴水管上的噴水孔距水盆旋轉中心近，該噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底中線的距離小，說明科里奧利力小；噴水孔距水盆旋轉中心遠，其噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底中線的距離大，說明科里奧利力大；同樣，水盆及噴水管旋轉轉速快、慢不同，同一個噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底中線的遠近就不同，科里奧利力的大小也就不同；水盆順、逆時針旋轉，可以觀察到噴水管的噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底中線的方向會隨著水盆及噴水管旋轉方向改變而改變。如果把水盆想象成地球，水盆旋轉中心相當于地球的極點，其線速度為零，水盆順時針旋轉相當于自轉的地球的南半球，水盆逆時針旋轉相當于自轉的地球的北半球，噴水管的噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底的中線可以說明河流沖刷河岸的原因，也說明了“落體偏東”效應，所以，該裝置觀察科里奧利力直觀，形象生動，有利于觀察者加深對科里奧利力的理解。

（2）采用電抗器L控制主電動機的轉速，接通電源后，若轉換開關SB1的旋鈕上的指示線對準裝置面板上的“慢”，即L串聯于電動機電路中，使主電動機繞組兩端的工作電壓下降，主電動機轉速變慢；若轉換開關SB1的旋鈕上的指示線對準裝置面板上的“快”，L未被接入電路回路，主電動機全速運轉。這樣可使水盆及噴水管獲得慢、快兩種旋轉轉速，使其噴水管上的同一個噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡隨水盆及噴水管旋轉速度的改變而改變偏離水盆底中線的距離，從而了解旋轉體系的轉速與科里奧利力大小成正比關系。

（3）設計主電動機的正轉、反轉速度相同，有利于觀察、比較噴水管的噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡隨水盆及噴水管旋轉方向改變，其水線條的軌跡偏離水盆底中線的方向也同時發生對稱改變的現象。

（4）由于觀察科里奧利力的旋轉速度不宜過高，所以本裝置采用了傳動比較大的旋轉減速器及三角皮帶減速傳動機構對主電動機減速，旋轉減速器采用行星齒輪傳動機構，由4個相同的行星齒輪均勻的分布在外齒中心輪與內齒中心輪的周圍共同承擔載荷，因而傳遞功率大，傳動比也大。

參考文獻

[1]廖漢元，孔建益，鈕國輝.機械原理[M].北京：機械工業出版社，1998.

[2]北京有色冶金設計研究總院.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，1993.

[3]沈敏德，宮濤，范維華.功能分析與創新設計[M].北京：機械設計雜志社，2001.

[4]曹巖，李建華.Solidworks2004產品設計實例精解[M].北京：機械工業出版社，2004.

[5]王先逵.機械制造工藝學[M].北京：機械工業出版社，2000.

（作者單位：重慶工業職業技術學院）