地转偏向力产生原因,怎样从物理的角度分析地转偏向力?

要想理解地转力的物理意义地转偏向力产生原因,首先要理解地球表面是近乎球面的,以及地球是有自转的。这两样东西放到一起就能给出地转偏向力的物理解释了。

根据牛顿力学的运动论,取地球表面为参考系,考察地球表面上质点的位移、速度、加速度,这需要懂一些微分学的知识,因为我们要在地球表面这一球坐标系下根据质点位矢推导质点的速度和加速度。很容易证明,质点的加速度矢量可以分解出一个与地球自转角速度成正比的一项,这一项在物理学上叫“科里奥利力”,而地转偏向力正是科里奥利力。科里奥利力是一种惯性力,其产生原因是因为我们选择了地球表面这一非惯性系所致,如果我们选择地心为参考系,那么地球表面的科里奥利力就会消失。但是对于地球表面的物体来说,无论是大气、海洋等,都会因为地球的自转而受到这种惯性力的“影响”。事实上,这些物体并未真实受到惯性力的作用,只不过是因为参考系本身的问题而导致了一种受力作用的假象而已。

下面结合科里奥利力来解释为什么同样是向北运动,但是在南北半球却要受到不同方向的科里奥利力。事实上,地球上的“北方”是一个局域概念,或者说我们说的“向北运动”仅仅是沿着经线圈的切线运动。这时候,运动速度切于经线圈,而在南北半球,经线圈的切矢量并不是一致的,二者仅仅在地轴方向上的投影一致,而在赤道面上的投影却是互为相反说的。科里奥利力的计算法则告诉我们,科里奥利力的方向取决于地球自转角速度方向和质点运动方向,且三者成右手坐标系关系。很明显,由于南北半球的速度有差异,导致科里奥利力在南北半球表现为方向相反!这就是解释了地转偏向力奇特性质了。

由于地球的自转,在地球上的物体在做直线运动的时候会受到地转偏向力的作用,这一点是对的。如下图所示,就是地转偏向力的作用方向。简单来说,在北半球的时候,你向前走会受到一个向右的力;在南半球的时候,你向前走会受到一个向左的力。这个力的大小跟你的速度有关,跟你所处的纬度有关。

地转偏向力产生原因,怎样从物理的角度分析地转偏向力?

地转偏向力产生原因,怎样从物理的角度分析地转偏向力?

确实,地转偏向力是存在的,但是对于正常的运动的物体(比如说行走的人和开动的汽车),受到的地转偏向力是极小极小的,几乎可以忽略不计。一般我们考虑地球的自传偏向力只有两种情况,第一种就是物体受到的阻力非常小,而且运动距离非常长,这个时候地转偏向力能够引起的效果才是明显的。比如说我们常说的地球上的各个风带,可以看到这些风带中风的运动也是“拐弯”的,这就是考虑了地转偏向力的原因。

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另外一种就是作用的时间很长,比如说河流在流动的时候就会因为受到地转偏向力而对两边的岸边产生力度不一样的冲刷,虽然短期之内看不出来差别,然而日积月累,就会出现一边河岸被冲刷得更厉害的情况【如下图所示,北半球的河流右岸一般往往被冲刷的比较厉害】。

所以说,汽车的运动不需要考虑地转偏向力的作用,汽车到底靠哪边行走,完全是看习俗,带有一定的随机性。比如说中国的汽车都是靠右行走,但是同样是在北半球的英国、日本、新加坡、印度等等,汽车就是靠左行走的。

所以说,物体确实是会因为地球的自转受到不对称的力的作用,但是这个作用微乎其微,并不是决定汽车靠那边走的原因。

地转偏向力对的影响:河道在地转偏向力的影响下会使得河道凹岸侧逐渐侵蚀,凸岸侧逐渐泥沙堆积。其主要原因是水流在地转偏向力的影响下,使得凹岸侧的水流速度增加,对河道的侵蚀加强,而而凸岸的水流变慢,泥沙逐渐沉积,使得原本U型的河道变成倾向一侧(如下图)的河道。

地转偏向力产生原因,怎样从物理的角度分析地转偏向力?

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地转偏向力产生原因,怎样从物理的角度分析地转偏向力?

那么什么是地转偏向力,有什么特征?由于地球自转而产生作用于运动物体的力,称为地转偏向力,简称偏向力。它只在物体相对于地面有运动时才产生(实际不存在),只能改变水平运动物体运动的方向,不能改变物体运动的速率。地转偏向力始终垂直于地球表面水平运动物体的方向。在北半球表现为向右偏,南半球表现为向左偏。

地转偏向力产生原因,怎样从物理的角度分析地转偏向力?

对于河道的影响还表现为牛轭湖的形成,牛轭湖则是在地转偏向力的影响下所形成的,下图白色部分则为牛轭湖,河流自南向北流动,牛轭湖原本是和河道连接在一起的,但是凹岸受到地转偏向力的影响下发生向右侵蚀,于是河道就裁弯取直改道了,使得白色部分没有了水流的补给和输出,于是就形成了湖泊,由于形状像牛轭,故称为牛轭湖。

地转偏向力产生原因,怎样从物理的角度分析地转偏向力?

当然还有其他有趣现象或影响:比如说入海口处有个小岛(假设北半球),然后小岛会由于一侧泥沙不断堆积,最终和河岸相连,另一侧河道逐渐变宽(河流北半球向右偏,不断侵蚀)。因此北岸适合建采沙场,或者建房屋,南岸则适合做港湾。日常见到的江景房通常也是在凸岸处的,泥沙堆积处比较安全,假如在凹岸处则容易受到侵蚀不安全。

水池放水出水(水漩涡)如下图(北半球):

穿鞋其实也是有影响的,如下图:(北半球:前提是时间要穿的足够长)。

当然还有很多很多,比如说气旋、铁轨磨损等等。

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