走進科里奧利力的神奇世界

石殿祥

科里奧利力是以牛頓力學為基礎的一種慣性力。法國人古斯塔·加斯佩德·科里奧利在1835年最先用數學方法來描述并在氣象觀測中得到證實，從此，人們把它稱作科里奧利效應?？评飱W利提出，在旋轉體系中進行直線運動的質點，由于慣性作用，有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢，但是由于體系本身是旋轉的，在經歷了一段時間的運動之后，體系中質點的位置會有所變化，而它原有的運動趨勢的方向，如果以旋轉體系的視角去觀察，就會發生一定程度的偏離。實際上，在自然界就有許多由科里奧利效應衍生出的奇妙現象，甚至被發展成實用技術。就讓我們走進由旋轉系統造就的神奇世界，探尋科學的奧秘！

科里奧利力究竟是種什么力？

講科里奧利力之前，大家需要先對運動的合成有所了解，物體運動是指在一個時段它相對于某些參照物發生方位變化，再由時間和位移（空間方向、位置變化）所確定的速度被用來描述運動。而討論運動時人們關注速度及其變化，卻時常忽略運動的參照物或參照系。習慣上認為參照系靜止才好精準度量或測算位移、速度的量值。事實上參照系的轉換就是速度疊加合成。

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，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。因此，科里奧利力與離心力一樣，都不是真實存在的力，而是慣性作用在非慣性系內的體現。

不知道大家有沒有這樣的經歷，那就是在北半球射門的足球運動員若位于紅色球門的南面或北面，瞄準的卻應調整為稍偏左的灰色球門（如上圖示）。還有在那些需精準定位的運動如足球、籃球、兵乓球、炮彈、打靶等活動中，也經常需要稍稍偏移瞄準。那是為什么呢？因為科里奧利效應是慣性作用在非慣性系內的體現。物體空中運動不跟隨地球轉動，所以會使物體空中運動軌跡發生偏離。因此除了風力影響外，也應考慮科里奧利效應的校正量。

從旋轉木馬到地球南北半球

柏而定律為何讓河流兩岸地勢不一？

由于自轉的存在，地球并非一個慣性系，而是一個轉動參照系，因而地面上質點的運動會受到科里奧利力影響。從北極上空俯視北半球，我們可以看到逆時針旋轉的地球就像個大旋轉木馬，只要不是純粹沿經度線的東西向運動，都會因為存在南北向非零速度分量而發生向右偏離。地球這個旋轉木馬平面上，科里奧利加速度和力計算的差別在于：緯度位置質點水平受力有個緯度正弦值作為因子。木馬平面就相當于過北極點的地球切平面。當高緯度接近極地區域，科里奧利效應最強;在低緯度尤其是接近赤道區域，自轉方向與運動方向夾角變小，科里奧利效應較弱。

地球科學領域中的地轉偏向力就是科里奧利力在沿地球表面方向的一個分力。地轉偏向力也有助于解釋一些地理現象：其中最著名的便是自然地理中的柏而定律，這也是由實際觀察自然現象總結出來的規律。具體來說，對于北半球運動的物體，其具有向右偏轉的趨勢，北半球由南向北走的河流，河流右岸的沖刷程度比左岸的要厲害些;流向的右側因侵蝕較強而多峭壁，左側則多平緩河岸。下圖左是河流蛇曲形成的示意圖，偏向右側的沖刷是形成河曲的一個動因，河水繞過阻擋后沿切向前進，流向只要不是純粹的東西方向都有向右偏斜的趨勢，所以平地上河流會越來越蜿蜒蛇曲。

對于南半球而言，在南半球運動的物體則有向左偏轉的趨勢。從南極上空俯視地球，等同于從旋轉木馬平面下方仰視木馬平面。這樣，南半球科里奧利效應就是北半球科里奧利效應的鏡像，表現為向左偏離。

傅科擺與地球自轉

擺動可以看作一種往復的直線運動，地球上的物體擺動會受到地球自轉的影響。只要擺面方向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，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。

但是直到19世紀中葉，地球自轉還是一個未經證實的猜想。打破僵局的是法國的傅科，他用單擺實驗首先完成了對地球自轉的驗證。1851年，傅科在一個大廳的穹頂上懸掛了一條長6了米的繩索，繩索下端是重28千克的擺錘。擺錘下方是巨大的沙盤，每當擺錘經過沙盤上方的時候，擺錘上的指針就會在沙盤上面留下運動的軌跡。實驗觀測發現，擺錘在沙盤上面畫出的不是一條直線段，而是橢圓形的軌跡，并且橢圓軌跡繞沙盤中心緩慢旋轉。這個實驗第一次通過觀測證實了地球的自轉。

氣象學中的科里奧利效應

河流、湖泊及大氣中流體因存在壓強差而流動。由于沒有剛性的空間約束，流體運動的偏移比較明顯且容易觀測。這可能是科里奧利效應最先在氣象觀測中獲得驗證的緣故。

知識鏈接

傅科擺為什么能驗證地球自轉？

因為擺錘在懸掛點與頂棚連接，擺線掃過懸掛鉛垂線的一個扇形區域，在懸掛點處整個擺錘都能毫無扭矩地自由轉動，所以這個擺動扇是不受轉動影響的區域。擺動扇在水平面的鉛直投影就是沙盤上的劃痕，沙盤劃痕呈橢圓形狀是擺錘受到與擺動扇平面垂直的力的影響，擺錘在往和返的過程中受力方向相反，總指向運動方向的同一側，進一步佐證了地球自轉。

熱帶氣旋的形成就是受到科里奧利力的影響。驅動熱帶氣旋運動的原動力是一個低氣壓中心與周圍大氣的壓力差，周圍大氣中的空氣在壓強差的驅動下向低氣壓中心定向流動。這種移動受到科里奧利力的影響而發生偏轉，從而形成旋轉的氣流，這種旋轉在北半球沿著逆時針方向，而在南半球沿著順時針方向。

科里奧利效應也成功解釋了氣象學中關于信風帶形成的機制。由于太陽照射的原因，地球表面形成氣壓高低不同且呈南北對稱分布的條帶。兩極為極地高壓帶，緯度60度附近為副極地低氣壓帶，緯度30度近旁為副熱帶高氣壓帶，赤道圈附近則是赤道低氣壓帶。假如地球沒有自轉也沒有來自東西方向的干擾，按這樣高低不同的壓強條帶分布，地面上就應該只有南風和北風而不會有偏向東或偏向西的風（下圖左），但地球自轉打破了這種假想格局。自轉使北半球的風向右偏轉，南半球的風向左偏轉，在科里奧利力、大氣壓差和地表摩擦力的共同作用下，原本正南北向的大氣流動變成東北一西南或東南一西北向的大氣流動。于是出現了下圖右所示的極地東風帶、盛行西風帶和信風帶。

物理的世界是多彩的，但對物理的思考不能光靠想象力，正如德國著名物理學家普朗克所說，物理定律不能單靠思維獲得，還應致力于觀察和實驗。解析科里奧利效應需要對慣性系和旋轉系透徹的理解。這種解析對了解掌握物理規律乃至宇宙萬物運行機制都大有裨益。

（責任編輯/陳天昊 美術編輯/鄭博仁）