不是奧利奧，不是奧地利，是科裡奧利力！由它衍生出來的現象挺奇妙……

2020-10-28 知識就是力量雜誌

作者/石殿祥

科裡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·科裡奧利在1835年最先用數學方法來描述並在氣象觀測中得到證實，從此，人們把它稱作科裡奧利效應。

科裡奧利提出，在旋轉體系中進行直線運動的質點，由於慣性作用，有沿著原有運動方向繼續運動的趨勢，但是由於體系本身是旋轉的，在經歷了一段時間的運動之後，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裡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！

科裡奧利力究竟是種什麼力？

講科裡奧利力之前，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於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。

當一個質點相對於慣性系做直線運動時，相對於旋轉體系，其軌跡是一條曲線。立足於旋轉體系，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。


質點慣性系做直線運動時，相對於旋轉體系，其軌跡是一條曲線

因此，科裡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於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。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。那是為什麼呢？

足球運動員射門時需要考慮科裡奧利效應的校正量

因為科裡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，也應考慮科裡奧利效應的校正量。

氣象學中的科裡奧利效應

河流、湖泊及大氣中流體因存在壓強差而流動。由於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。這可能是科裡奧利效應最先在氣象觀測中獲得驗證的緣故。

熱帶氣旋的形成就是受到科裡奧利力的影響。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。這種移動受到科裡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。

熱帶氣旋在北半球沿逆時針方向（圖片來源/維基百科）

南半球沿順時針方向（圖片來源/維基百科）

科裡奧利效應也成功解釋了氣象學中關於信風帶形成的機制。由於太陽照射的原因，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幹擾，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，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，在科裡奧利力、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－西南或東南－西北向的大氣流動。於是出現了極地東風帶、盛行西風帶和信風帶。

受科裡奧利力影響，原本正南方向的大氣流動變成東北-西南或東南-西北向的大氣流動

物理的世界是多彩的，但對物理的思考不能光靠想像力，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，還應致力於觀察和實驗。解析科裡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。


本文來自《知識就是力量》雜誌

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