卡皮羅現(xiàn)象與科里奧利力渦流

卡皮羅現(xiàn)象與科里奧利力渦流卡皮羅現(xiàn)象與科里奧利力（渦流）2011年04月07日卡皮羅現(xiàn)象與科里奧利力（渦流）20世紀(jì)40年代科學(xué)家卡皮羅在每次實(shí)驗(yàn)后，把污水倒入水槽時(shí)發(fā)現(xiàn)在漏水口處形成的旋渦總按固定的方向旋轉(zhuǎn)，這個(gè)現(xiàn)象引起了他的注意。于是在水流下時(shí)他故意用手指向相反方向攪動(dòng)，但手離開(kāi)后旋渦又恢復(fù)原來(lái)的旋轉(zhuǎn)方向。這是否與漏水口的形狀有關(guān)？于是他做了許多不同形狀的漏水口，但試驗(yàn)結(jié)果總是相同。他對(duì)此困惑不解，于是他到世界各地去做同樣的試驗(yàn)，使他大為驚奇的是在南半球水流旋渦的方向與北半球剛好相反，在北半球是逆時(shí)針的而在南半球是順時(shí)針的，在赤道附近兩種情況幾乎各有一半?？ㄆち_喜出望外，他終于找到了結(jié)論，旋渦的方向與在地球上所處位置有關(guān)。后來(lái)人們把這種現(xiàn)象稱為卡皮羅現(xiàn)象。事實(shí)上，卡皮羅現(xiàn)象是地球在自轉(zhuǎn)過(guò)程中由于慣性引起的一種所謂科里奧利力造成的。在北半球這個(gè)偏向力是向右的，它會(huì)使得水在向下流時(shí)形成逆時(shí)針?lè)较虻男郎u。在南半球則剛好相反為順時(shí)針?lè)较颉Ｔ谧匀唤缋锟ㄆち_現(xiàn)象的另一形式是龍卷風(fēng)。無(wú)論是在廣袤的平原還是浩瀚的大海上產(chǎn)生的陸龍卷和海龍卷，人們發(fā)現(xiàn)在北半球它們的旋轉(zhuǎn)方向大多是逆時(shí)針的。在北京天文館的傅科擺每隔37hl15min鐘擺平面作順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一周也是科里奧利力作用的結(jié)果。科里奧利力是一個(gè)重要但又容易被一般人所忽視的力。例如在北半球火車由南向北快速行駛時(shí)右邊軌道上所受的壓力要大些，由南向北的河流東岸受沖刷較厲害，這些現(xiàn)象都可用科里奧利力來(lái)解釋，另外在發(fā)射遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、氣象預(yù)報(bào)、航海、航空中氣泡水準(zhǔn)儀的設(shè)計(jì)等方面也要考慮到科里奧利力的影響。地轉(zhuǎn)偏向力如何形成當(dāng)空氣環(huán)繞著旋轉(zhuǎn)的地球表面遠(yuǎn)距離移動(dòng)時(shí)，它最初的向東的動(dòng)量在地表開(kāi)始改變。我們知道，地球是由西向東旋轉(zhuǎn)的，赤道地區(qū)旋轉(zhuǎn)的線速度最大，隨著緯度越高，線速度越來(lái)越小，到了極點(diǎn)減為零。設(shè)想空氣從低緯度地區(qū)移向北極：在最初，空氣是具有與源地相同的向東速度的；當(dāng)空氣接近極點(diǎn)時(shí)，在那兒的地球轉(zhuǎn)動(dòng)為零，而這股空氣卻繼續(xù)保持著它原來(lái)的向東的動(dòng)量（假設(shè)沒(méi)有因?yàn)槟Σ炼膿p的話），于是它會(huì)相對(duì)于目的地的地表轉(zhuǎn)向東面。這樣，即使空氣以相當(dāng)直的路線越過(guò)緯線向極地方向前進(jìn)，相對(duì)于地球，它看起來(lái)會(huì)是同時(shí)朝東轉(zhuǎn)向越過(guò)經(jīng)線。一個(gè)名叫古斯塔?加斯佩德?科里奧利的法國(guó)人在1835年最先用數(shù)學(xué)方法描述了這種效應(yīng)，所以科學(xué)界用他的姓氏來(lái)命名此種力。我們通常也稱它為地轉(zhuǎn)偏向力。在北半球，科里奧利力使風(fēng)向右偏離其原始的路線（往北去的風(fēng)）；在南半球，這種力使風(fēng)向左偏離（往南去的風(fēng)）。風(fēng)速越大，產(chǎn)生的偏離越大。于是，在北半球，當(dāng)空氣向低壓中心輻合時(shí)會(huì)向右彎曲，（總趨勢(shì)是向右彎曲。因?yàn)槟蟼?cè)距地軸遠(yuǎn)，線速度大，相比較北方，對(duì)作用點(diǎn)影響就大。）形成了一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻男D(zhuǎn)氣流。（因?yàn)槟蟻?lái)的風(fēng)向東偏，北來(lái)的風(fēng)向西偏，形成右旋氣流，從空中俯視為逆時(shí)針?lè)较颉＃母邏褐行妮椛⒊鰜?lái)的空氣，因?yàn)橄蛴覐澢纬闪四鏁r(shí)針?lè)较虻男L(fēng)。我們把逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的叫做氣旋，把順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的叫做反氣旋。在南半球，上述的情形正好相反。科里奧利效應(yīng)使風(fēng)在北半球向右轉(zhuǎn)，在南半球向左轉(zhuǎn)。此效應(yīng)在極地處最明顯，在赤道處則消失。如果沒(méi)有地球的旋轉(zhuǎn)，風(fēng)將會(huì)從極地高壓吹向赤道低壓地區(qū)?？评飱W利效應(yīng)在極地最顯著，向赤道方向逐漸減弱直到消失在赤道處。這就是為什么臺(tái)風(fēng)只能僅僅使云形成在5緯度以上的地區(qū)?？评飱W利力不僅僅對(duì)風(fēng)產(chǎn)生影響，任何一個(gè)環(huán)繞地表的遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)都會(huì)受到它的捉弄。在一戰(zhàn)期間，德軍用他們引以自豪的射程為的大炮轟擊巴黎時(shí)，懊惱地發(fā)現(xiàn)炮彈總是向右偏離目標(biāo)。直到那時(shí)為止，他們從沒(méi)擔(dān)心過(guò)科里奧利力的影響，因?yàn)樗麄儚臎](méi)有這樣遠(yuǎn)距離的開(kāi)火。當(dāng)然，對(duì)于近距離的運(yùn)動(dòng)，科里奧利力影響極小。從場(chǎng)地一邊把籃球拋到另一邊的運(yùn)動(dòng)員，考慮科里奧利力的影響而需要調(diào)整自己投球的偏移量為。當(dāng)你拔掉盥洗池的橡皮塞時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)有時(shí)水流并不是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)流走的，因?yàn)榭评飱W利力幾乎沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)影響水這樣短距離的運(yùn)動(dòng)，水流的形態(tài)更多地受到水池形狀或者水龍頭噴射角度的影響。在大氣層的高處，科里奧利效應(yīng)是一個(gè)重要的因素。在大約或更高的地方，空氣沒(méi)有與大山、樹(shù)木的摩擦，它能夠不斷地增強(qiáng)力量并達(dá)到驚人的速度。當(dāng)氣壓差不斷地把這些風(fēng)推向低壓地區(qū)時(shí)，空氣就會(huì)受科里奧利力的影響而轉(zhuǎn)向，最終會(huì)沿著等壓線吹動(dòng)。TIP:定位風(fēng)暴19世紀(jì)比利時(shí)氣象學(xué)家白貝羅應(yīng)用科里奧利效應(yīng)找出一條規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最近的風(fēng)暴：在北半球，當(dāng)你背風(fēng)而立，風(fēng)暴在你的左側(cè)（因?yàn)槟Σ炼膿p能量，致風(fēng)速順地球轉(zhuǎn)動(dòng)方向減弱，而人因固定于地面，不受影響。就覺(jué)著風(fēng)從左側(cè)刮過(guò)來(lái)）；在南半球，則在你的右側(cè)。為什么河中心的水流速最快，越靠近岸邊的水流速越慢，而且還有許多旋渦？漩渦的方向是什么？水（液體大都如此）具有粘持性，邊緣的水與河岸摩擦而減速，邊緣的水與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，越靠近岸邊的水流速越慢。梯度很大時(shí)形成漩渦，漩渦的方向是河中心處沿水流方向。另：在河底的水流和岸邊的水流情況相同。此處的漩渦的方向不是固定的，與水流方向和速度有關(guān)。浴缸放水時(shí)漩渦的方向受地球自轉(zhuǎn)和不同緯度的影響，北半球總是沿逆時(shí)針?lè)较颍习肭蚩偸茄仨槙r(shí)針?lè)较?。因此，地轉(zhuǎn)偏向力是由于地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的作用于運(yùn)動(dòng)空氣的力，也稱科里奧利力。它只是在物體相對(duì)于地面有運(yùn)動(dòng)時(shí)才產(chǎn)生。物體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，不受地轉(zhuǎn)偏向力的作用。它的方向同物體運(yùn)動(dòng)的方向相垂直，大小同風(fēng)速和所在緯度的正弦成正比。它只能改變物體運(yùn)動(dòng)的方向，不能改變物體運(yùn)動(dòng)的速率。在北半球，它指向物體運(yùn)動(dòng)方向的右方，使物體向原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向的右方偏轉(zhuǎn)；在南半球則相反，使物體向原來(lái)運(yùn)動(dòng)方向的左方偏轉(zhuǎn)。在風(fēng)速相同的情況下，它隨緯度的增高而增大。赤道上地轉(zhuǎn)偏向力等于零；在兩極，地轉(zhuǎn)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沖刷比左岸要厲害一些，因而右岸往往比左岸要稍陡一些。當(dāng)然也必須看到，地轉(zhuǎn)偏向力不是對(duì)所有物體的運(yùn)動(dòng)都有同等的重要意義。在討論某些物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)榈剞D(zhuǎn)偏向力比其他的作用力小得多，可以忽略不計(jì)，但在討論大范圍空氣運(yùn)動(dòng)時(shí)，它是個(gè)很重要的作用力，必須加以考慮。幾個(gè)經(jīng)典的錯(cuò)誤解釋當(dāng)我們使用洗臉池或者抽水馬桶后放水時(shí)，水流通常要形成漩渦從排水孔流出。為什么會(huì)形成漩渦呢？熱心的物理學(xué)家這樣告訴我們：由于地球本身的自轉(zhuǎn)，使得在其表面流動(dòng)的液體和氣體（或稱為流體），受到“科里奧利力”的作用。科里奧利是19世紀(jì)法國(guó)數(shù)學(xué)家，他發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)球體上移動(dòng)的物體，會(huì)偏離其運(yùn)動(dòng)軌跡。這很容易理解，把等角速度旋轉(zhuǎn)的物體本身看成是一個(gè)非慣性系，那么其中運(yùn)動(dòng)的物體受到慣性力的作用；特別是，一個(gè)慣性力垂直于矢驍方向，是因?yàn)檠厥蛤敺较蛞苿?dòng)時(shí)候，其線速度會(huì)發(fā)生改變，也就是產(chǎn)生了加速度，這就是受力方向。在地球北半球，科里奧利力造成流體逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，在南半球則順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。物理學(xué)家對(duì)科里奧利力或科里奧利效應(yīng)的理解絕對(duì)準(zhǔn)確，但使用科里奧利效應(yīng)來(lái)解釋抽水馬桶水的漩渦則大錯(cuò)特錯(cuò)?？评飱W利效應(yīng)在解釋洋流、大氣環(huán)流之類大規(guī)模運(yùn)動(dòng)的流體時(shí)是成立的。但是，對(duì)抽水馬桶的水流，科里奧利效應(yīng)則幾乎毫無(wú)影響。馬桶旋轉(zhuǎn)水流的2端，由于地球自轉(zhuǎn)造成的影響幾乎是完全相等的，即使有略微不同，也安全無(wú)法造成強(qiáng)烈的水流。考慮水的漩渦形成，就先要知道，大氣中遠(yuǎn)處不在的大氣壓和地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的地心引力。大氣壓和地心引力的作用力方向是一致的，大氣壓向地心方向作用力。在設(shè)計(jì)洗漱盆及馬桶還有一些下水設(shè)施的時(shí)候，都參照了地心引力的作用，在水池的下水處，均設(shè)計(jì)成漏斗狀，并且在一些高級(jí)衛(wèi)浴設(shè)備的排水處，還有螺旋紋，使水流更適應(yīng)地心引力，順利更迅速地排走。水還有著這樣的特性：在同一地點(diǎn)的兩旁，如果水流方向相反，就會(huì)在這一點(diǎn)產(chǎn)生漩渦；在急流旁邊的水，因?yàn)榱魉俦燃绷髀?，所以也?huì)形成漩渦。大水流在通過(guò)小口徑排水管道時(shí)，不能瞬間流走。大氣壓對(duì)全盆的水產(chǎn)生向下的壓力，地心對(duì)打開(kāi)的管口部分的水產(chǎn)生引力，兩力同時(shí)作用，使距離排水口最近的水向下流動(dòng)，而其它地方的水受到大氣壓力作用，也向排水口運(yùn)動(dòng)，但管口過(guò)小，就會(huì)出現(xiàn)管口處的水面比盆中其他處水面低的現(xiàn)象。而在盆中流動(dòng)的水中，只有在排水口的水流最急，排水口旁邊的水流較緩，逐漸形成了漩渦。那么，馬桶時(shí)如何造成水流旋轉(zhuǎn)呢？仔細(xì)觀察即可發(fā)現(xiàn)，答案是馬桶邊緣的出水孔。馬桶設(shè)計(jì)人員使水從邊緣沿著切線方向噴出，這樣造成水流的強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)。但是，洗臉池和浴缸并沒(méi)有側(cè)向水流，為什么也會(huì)產(chǎn)生深深的漩渦呢？答案也不是科里奧利效應(yīng)。原因在于，水在流向排水孔時(shí)，不能把孔完全蓋住，否則，空氣跑不出來(lái)，水也流不下去。因此，水流必須“排隊(duì)等候”流入排水孔。漩渦就是水流排隊(duì)的方式。通常，對(duì)于某個(gè)馬桶，漩渦方向是固定的。這因?yàn)榕潘字行牟⒉粐?yán)格處于馬桶或者浴缸的中心，這樣，初始的隨機(jī)偏轉(zhuǎn)效應(yīng)會(huì)累積，最后形成固定的旋轉(zhuǎn)方向。不相信嗎？多做幾個(gè)實(shí)驗(yàn)吧。伯努利也是一位數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家，他在1738年發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體的流速提高，表面的靜壓力會(huì)降低。這個(gè)現(xiàn)象稱為“伯努利原理”，而幾乎所有的物理學(xué)教材和科普文章，都使用這個(gè)原理，討論機(jī)翼升力的產(chǎn)生。為了解釋這個(gè)原理，通常，他們首先會(huì)讓你拿出2片紙，并用力在紙的中間吹氣，瞧，2張紙像粘在一起了！機(jī)翼的上表面是拱起的，而下表面是平坦甚至凹進(jìn)去。當(dāng)氣流通過(guò)機(jī)翼表面，機(jī)翼上方空氣流速較快，而下面空氣流速較慢。根據(jù)“伯努利原理”，下面氣流造成的靜壓力大于上方氣流的壓力，于是，機(jī)翼受到一個(gè)向上的作用力，飛機(jī)就飛了起來(lái)。遺憾的是，這是完全錯(cuò)誤的。而使用“伯努利原理”解釋飛機(jī)的升空也是“白努力”。伯努利效應(yīng)可以解釋一部分升力的來(lái)源，但這是非常小的一部分。如果飛機(jī)僅僅根據(jù)“伯努利原理”飛行，機(jī)翼形狀必須非常“拱起”，或者，必須要飛得非常快才行。飛機(jī)的升力主要由另外2個(gè)效應(yīng)提供。一個(gè)是康達(dá)效應(yīng)；另一個(gè)是氣流沖擊效應(yīng)?？颠_(dá)效應(yīng)指的是，氣流流經(jīng)機(jī)翼曲面時(shí)，氣流會(huì)緊貼機(jī)翼表面（這當(dāng)然也有一點(diǎn)伯努利效應(yīng)的含義）。這樣，機(jī)翼的形狀有效地改變了氣流的方向，使離開(kāi)機(jī)翼的氣流相對(duì)飛機(jī)作向下的高速運(yùn)動(dòng)。機(jī)翼推開(kāi)氣流，但這個(gè)運(yùn)動(dòng)受力的反作用力作用于機(jī)翼上，相當(dāng)于氣流也在推開(kāi)機(jī)翼，這個(gè)力使得機(jī)翼向上舉起。另一個(gè)重要的效應(yīng)是氣流沖擊效應(yīng)。當(dāng)一塊平板的方向不是與氣流運(yùn)動(dòng)方向嚴(yán)格垂直，那么，平板會(huì)受到氣流的沖擊。飛機(jī)的機(jī)翼與其自身有一定傾角（4度左右），特別是，當(dāng)飛機(jī)起飛時(shí)，要把機(jī)頭高高抬起，形成更大的傾角，這樣在低速時(shí)，也可以獲得較大的氣流沖擊效應(yīng)，以便使幾十噸的飛機(jī)起飛。但是，機(jī)翼的傾角并不是完全用于提供升力，更多的是為了維持飛機(jī)本身的氣動(dòng)布局，以保證飛機(jī)在飛行時(shí)侯的氣動(dòng)平衡。飛機(jī)是一個(gè)非常復(fù)雜的氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師必須保證飛機(jī)在x,y,z幾個(gè)方向上受力平衡。這就是飛機(jī)為什么需要機(jī)翼、尾翼、垂直尾翼的原因（那種像飛碟一樣的無(wú)尾翼飛機(jī)設(shè)計(jì)起來(lái)是非常麻煩的）；此外，為了*控飛機(jī)，機(jī)翼上都開(kāi)有活動(dòng)襟翼，因此要仔細(xì)分析飛機(jī)的受力很不容易。這也是飛機(jī)設(shè)計(jì)原型為什么要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)的原因。這是一個(gè)典型的錯(cuò)誤解釋。自行車只有2個(gè)輪子，卻為什么可以保持平衡呢？甚至，高手在騎車的時(shí)候，可以雙手離開(kāi)車把，任由車子向前走而不擔(dān)心摔倒（但要擔(dān)心前面呼嘯而來(lái)的汽車）。物理學(xué)家拿出一個(gè)陀螺，放在地上轉(zhuǎn)一下，并開(kāi)始用鞭子使勁抽打它，隨著陀螺越轉(zhuǎn)越快，陀螺也像不倒翁一樣，雖然只有一個(gè)尖著地，卻左右搖擺而不肯倒下。這就是陀螺效應(yīng)：旋轉(zhuǎn)的物體有保持其旋轉(zhuǎn)方向（旋轉(zhuǎn)軸的方向）的慣性。陀螺只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，已經(jīng)很穩(wěn)定了。而自行車有2個(gè)輪子，顯然自行車輪子在高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，會(huì)使自行車更穩(wěn)定。因此，騎車人撒開(kāi)車把也不會(huì)倒下。但遺憾的是，這并非一個(gè)合理的解釋。陀螺效應(yīng)在保持自行車穩(wěn)定中也許起到不可忽略的效果，但是，如果自行車單單憑借陀螺效應(yīng)保持穩(wěn)定，那么，初學(xué)者也應(yīng)該在高速騎車時(shí)不會(huì)倒下。但是，2個(gè)陀螺似乎并不足以支撐騎車人重達(dá)幾十公斤的身體的傾斜。剛學(xué)習(xí)騎車往往會(huì)摔得很慘。從另一個(gè)方面看，騎獨(dú)輪車的雜技演員由于車速很低，甚至車輪完全停止轉(zhuǎn)動(dòng)，則基本無(wú)法依靠陀螺效應(yīng)保持平衡。自行車的平衡首先來(lái)自于騎車人腰部的肌肉。熟練的騎車人，其身體形成自動(dòng)的條件反射，當(dāng)自行車稍微傾斜倒下時(shí)，人的身體會(huì)感受到，腰部肌肉會(huì)自動(dòng)動(dòng)作，把身體拉向另一側(cè)，形成的反向力矩促使車身抬起。我們學(xué)習(xí)騎自行車，也就是訓(xùn)練身體的肌肉完成這種條件反射，而一旦學(xué)會(huì)，這個(gè)控制回路就保持在小腦中，隨時(shí)可以啟用，許多年也不會(huì)忘記。但是高速騎車時(shí)，會(huì)感覺(jué)車子比剛剛起步的時(shí)候穩(wěn)定，這又是為什么呢？自行車本身的平衡機(jī)制，來(lái)自于前叉后傾。我們可以觀察到，幾乎每輛自行車的車把軸，都不是與地面完全垂直，而是后傾的。由于前輪是固定在車把的前叉上，因此又叫前叉后傾。前叉后傾，使車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)產(chǎn)生的離心力其所形成的力矩方向，與車輪偏轉(zhuǎn)方向相反，迫使車輪偏轉(zhuǎn)后自動(dòng)恢復(fù)到原來(lái)的中間位置上。這樣，車子就有了自動(dòng)回正的穩(wěn)定性。車速越快，所造成的恢復(fù)力矩越大，騎車人就越感到穩(wěn)定。這就是高速騎車時(shí)，會(huì)感覺(jué)車子比剛剛起步的時(shí)候穩(wěn)定的原因。一般而言，車子前叉越后傾，車子越穩(wěn)定，但轉(zhuǎn)動(dòng)車把越費(fèi)勁；而后傾角度小，轉(zhuǎn)把較容易，但車子的穩(wěn)定性不夠。但如果自行車完全沒(méi)有前叉后傾，那么，騎自行車會(huì)是一件很痛苦的事情。自行車其實(shí)是相當(dāng)復(fù)雜的力學(xué)體系，而汽車的