卡皮罗现象与科里奥利力涡流解析

1、卡皮罗现象与科里奥利力涡流卡皮罗现象与科里奥利力（涡流）2011 年04月07日卡皮罗现象与科里奥利力（涡流）20世纪40年代科学家卡皮罗在每次实验后，把污水倒入水槽时发现 在漏水口处形成的旋涡总按固定的方向旋转，这个现象引起了他的注意。于是 在水流下时他故意用手指向相反方向搅动，但手离开后旋涡又恢复原来的旋转 方向。这是否与漏水口的形状有关？于是他做了许多不同形状的漏水口，但试 验结果总是相同。他对此困惑不解，于是他到世界各地去做同样的试验，使他 大为惊奇的是在南半球水流旋涡的方向与北半球刚好相反，在北半球是逆时针 的而在南半球是顺时针的，在赤道附近两种情况几乎各有一半。卡皮罗喜出望 外，他

2、终于找到了结论，旋涡的方向与在地球上所处位置有关。后来人们把这 种现象称为卡皮罗现象。事实上，卡皮罗现象是地球在自转过程中由于惯性引起的一种所谓科 里奥利力造成的。在北半球这个偏向力是向右的，它会使得水在向下流时形成 逆时针方向的旋涡。在南半球则刚好相反为顺时针方向。在自然界里卡皮罗现 象的另一形式是 龙卷风。无论是在广袤的平原还是浩瀚的大海上产生的陆龙卷 和海龙卷，人们发现在北半球它们的旋转方向大多是逆时针的。在北京天文馆 的傅科摆每隔37hl15min钟摆平面作顺时针转动一周也是科里奥利力作用的结 果。科里奥利力是一个重要但又容易被一般人所忽视的力。例如在北半球火车 由南向北快速行驶时右边

3、轨道上所受的压力要大些，由南向北的河流东岸受冲 刷较厉害，这些现象都可用科里奥利力来解释，另外在发射远程导弹、气象预 报、航海、航空中气泡水准仪的设计等方面也要考虑到科里奥利力的影响。地转偏向力如何形成当空气环绕着旋转的地球表面远距离移动时，它最初的向东的动量在 地表开始改变。我们知道，地球是由西向东旋转的，赤道地区旋转的线速度最 大，随着纬度越高，线速度越来越小，到了极点减为零。设想空气从低纬度地 区移向北极：在最初，空气是具有与源地相同的向东速度的；当空气接近极点 时，在那儿的地球转动为零，而这股空气却继续保持着它原来的向东的动量（假设没有因为摩擦而耗损的话），于是它会相对于目的地的地表转

4、向东面。 这样，即使空气以相当直的路线越过纬线向极地方向前进，相对于地球，它看 起来会是同时朝东转向越过经线。一个名叫古斯塔加斯佩德科里奥利的法国人在1835年最先用数学方法描述了这种 效应，所以科学界用他的姓氏来命名此种力。我们通常也称它 为地转偏向力。在北半球，科里奥利力使风向右偏离其原始的路线（往北去的 风）；在南半球，这种力使风向左偏离（往南去的风）。风速越大，产生的偏 离越大。于是，在北半球，当空气向低压中心辐合时会向右弯曲，（总趋势是 向右弯曲。因为南侧距地轴远，线速度大，相比较北方，对作用点影响就大。） 形成了一个逆时针方向的旋转气流。（因为南来的风向东偏，北来的风向西偏， 形成

5、右旋气流，从空中俯视为逆时针方向。）从高压中心辐散出来的空气，因 为向右弯曲而形成了逆时针方向的旋风。我们把逆时针旋转的叫做气旋，把顺 时针旋转的叫做反气旋。在南半球，上述的情形正好相反。科里奥利效应使风在北半球向右转，在南半球向左转。此 效应在极地 处最明显，在赤道处则消失。如果没有地球的旋转，风将会从极地高压吹向赤 道低压地区。科里奥利效应在极地最显著，向赤道方向逐渐减弱直到消失在赤道处。 这就是为什么台风只能仅仅使云形成在5纬度以上的地区。科里奥利力不仅仅对风产生影响，任何一个环绕地表的远距离运动都 会受到它的捉弄。在一战期间，德军用他们引以自豪的射程为的大炮轰击巴黎 时，懊恼地发现炮弹

6、总是向右偏离目标。直到那时为止，他们从没担心过科里 奥利力的影响，因为他们从没有这样远距离的开火。当然，对于近距离的运动，科里奥利力影响极小。从场地一边把篮球 抛到另一边的运动员，考虑科里奥利力的影响而需要调整自己投球的偏移量为。 当你拔掉盥洗池的橡皮塞时，会发现有时水流并不是逆时针旋转流走的，因为科里奥利力几乎没有足够的时间来影响水这样短距离的运动，水流的形态更多 地受到水池形状或者水龙头喷射角度的影响。在大气层的高处，科里奥利 效应是一个重要的因素。在大约或更高的 地方，空气没有与大山、树木的摩擦，它能够不断地增强力量并达到惊人的速 度。当气压差不断地把这些风推向低压地区时，空气就会受科里

7、奥利力的影响 而转向，最终会沿着等压线吹动。tip:定位风暴19世纪比利时气象学家白贝罗应用科里奥利 效应找出 一条规律，发现最近的风暴：在北半球，当你背风而立，风暴在你的左侧（因 为摩擦而耗损能量，致风速顺地球转动方向减弱，而人因固定于地面，不受影 响。就觉着风从左侧刮过来）；在南半球，则在你的右侧。为什么河中心的水流速最快，越靠近岸边的水流速越慢，而且还有许 多旋涡？漩涡的方向是什么？水（液体大都如此）具有粘持性，边缘的水与河 岸摩擦而减速，边缘的水与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，越靠近岸边的水流速越慢。梯度很大时形成漩涡，漩涡的方向 是河中心处沿水流方向。另

8、：在河底的水流和岸边的水流情况相同。此处的漩 涡的方向不是固定的，与水流方向和速度有关。浴缸放水时漩涡的方向受地球 自转和不同纬度的影响，北半球总是沿逆时针方向，南半球总是沿顺时针方向。因此，地转偏向力是由于地球自转而产生的作用于运动空气的力，也 称科里奥利力。它只是在物体相对于地面有运动时才产生。物体处于静止状态 时，不受地转偏向力的作用。它的方向同物体运动的方向相垂直，大小同风速 和所在纬度的正弦成正比。它只能改变物体运动的方向，不能改变物体运动的 速率。在北半球，它指向物体运动方向的右方，使物体向原来运动方向的右方 偏转；在南半球则相反，使物体向原来运动方向的左方偏转。在风速相同的情 况

9、下，它随纬度的增高而增大。赤道上地转偏向力等于零；在两极，地转偏向 力最大。由于它的作用，北半球河流流向的右岸受到流水的冲刷比左岸要厉害 一些，因而右岸往往比左岸要稍陡一些。当然也必须看到，地转偏向力不是对 所有物体的运动都有同等的重要意义。在讨论某些物体运动时，因为地转偏向 力比其他的作用力小得多，可以忽略不计，但在讨论大范围空气运动时，它是 个很重要的作用力，必须加以考虑。几个经典的错误解释当我们使用洗脸池或者抽水马桶后放水时，水流通常要形成漩涡从排 水孔流出。为什么会形成漩涡呢？热心的物理学家这样告诉我们：由于地球本 身的自转，使得在其表面流动的液体和气体（或称为流体），受到“科里奥利

10、力”的作用。科里奥利是19世纪法国数学家，他发现在旋转球体上移动的物体, 会偏离其运动轨迹。这很容易理解，把等角速度旋转的物体本身看成是一个非 惯性系，那么其中运动的物体受到惯性力的作用；特别是，一个惯性力垂直于 矢强方向，是因为沿矢强方向移动时候，其线速度会发生改变，也就是产生了 加速度，这就是受力方向。在地球北半球，科里奥利力造成流体逆时针旋转， 在南半球则顺时针旋转。物理学家对科里奥利力或科里奥利效应的理解绝对准确，但使用科里 奥利效应来解释抽水马桶水的漩涡则大错特错。 科里奥利效应在解释洋流、大 气环流之类大规模运动的流体时是成立的。但是，对抽水马桶的水流，科里奥 利效应则几乎毫无影响

11、。马桶旋转水流的 2端，由于地球自转造成的影响几乎 是完全相等的，即使有略微不同，也安全无法造成强烈的水流。考虑水的漩涡形成，就先要知道，大气中远处不在的大气压和地球自 转产生的地心引力。大气压和地心引力的作用力方向是一致的，大气压向地心方向作用力。在设计洗漱盆及马桶还有一些下水设施的时候，都参照了地心引 力的作用，在水池的下水处，均设计成漏斗状，并且在一些高级卫浴设备的排 水处，还有螺旋纹，使水流更适应地心引力，顺利更迅速地排走。水还有着这样的特性：在同一地点的两旁，如果水流方向相反，就会 在这一点产生漩涡；在急流旁边的水，因为流速比急流慢，所以也会形成漩涡。大水流在通过小口径排水管道时，不

12、能瞬间流走。大气压对全盆的水 产生向下的压力，地心对打开的管口部分的水产生引力，两力同时作用，使距 离排水口最近的水向下流动，而其它地方的水受到大气压力作用，也向排水口 运动，但管口过小，就会出现管口处的水面比盆中其他处水面低的现象。而在 盆中流动的水中，只有在排水口的水流最急，排水口旁边的水流较缓，逐渐形 成了漩涡。那么，马桶时如何造成水流旋转呢？仔细观察即可发现，答案是马桶 边缘的出水孔。马桶设计人员使水从边缘沿着切线方向喷出，这样造成水流的 强烈旋转。但是，洗脸池和浴缸并没有侧向水流，为什么也会产生深深的漩涡 呢？答案也不是科里奥利 效应。原因在于，水在流向排水孔时，不能把孔完全 盖住，

13、否则，空气跑不出来，水也流不下去。因此，水流必须“排队等候”流 入排水孔。漩涡就是水流排队的方式。通常，对于某个马桶，漩涡方向是固定 的。这因为排水孔中心并不严格处于马桶或者浴缸的中心，这样，初始的随机 偏转效应会累积，最后形成固定的旋转方向。不相信吗？多做几个实验吧。伯努利也是一位数学家和物理学家，他在 1738年发现，当流体的流速 提高，表面的静压力会降低。这个现象称为“伯努利原理”，而几乎所有的物 理学教材和科普文章，都使用这个原理，讨论机翼升力的产生。为了解释这个 原理，通常，他们首先会让你拿出 2片纸，并用力在纸的中间吹气，瞧，2张 纸像粘在一起了！机翼的上表面是拱起的，而下表面是平

14、坦甚至凹进去。当气 流通过机翼表面， 机翼上方空气流速较快，而下面空气流速较慢。根据“伯努 利原理”，下面气流造成的静压力大于上方气流的压力，于是，机翼受到一个 向上的作用力，飞机就飞了起来。遗憾的是，这是完全错误的。而使用“伯努利原理”解释飞机的升空 也是“白努力”。伯努利效应可以解释一部分升力的来源，但这是非常小的一部分。如 果飞机仅仅根据“伯努利原理”飞行，机翼形状必须非常“拱起”，或者，必 须要飞得非常快才行。飞机的升力主要由另外2个效应提供。一个是康达 效应；另一个是气 流冲击效应。康达效应指的是，气流流经机翼曲面时，气流会紧贴机翼表面（这当 然也有一点伯努利效应的含义）。这样，机翼

15、的形状有效地改变了气流的方向， 使离开机翼的气流相对飞机作向下的高速运动。机翼推开气流，但这个运动受力的反作用力作用于机翼上，相当于气流也在推开机翼，这个力使得机翼向上 举起。另一个重要的效应是气流冲击效应。当一块平板的方向不是与气流运 动方向严 格垂直，那么，平板会受到气流的冲击。飞机的机翼与其自身有一定 倾角（4度左右），特别是，当飞机起飞时，要把机头高高抬起，形成更大的 倾角，这样在低速时，也可以获得较大的气流冲击 效应，以便使几十吨的飞机 起飞。但是，机翼的倾角并不是完全用于提供升力，更多的是为了维持飞机本 身的气动布局，以保证飞机在飞行时侯的气动平衡。飞机是一个非常复杂的气动力学系统

16、，设计师必须保证飞机在x,y,z几个方向上受力平衡。这就是飞机为什么需要机翼、尾翼、垂直尾翼的原因（那种像飞碟一样的无尾翼飞机设计起来是非常麻烦的）；止匕外，为了*控飞机,机翼上都开有活动襟翼，因此要仔细分析飞机的受力很不容易。这也是飞机设 计原型为什么要进行风洞试验的原因。这是一个典型的错误解释。自行车只有2个轮子，却为什么可以保持平衡呢？甚至，高手在骑车 的时候，可以双手离开车把，任由车子向前走而不担心摔倒（但要担心前面呼 啸而来的汽车）。物理学家拿出一个陀螺，放在地上转一下，并开始用鞭子使 劲抽打它，随着陀螺越转越快，陀螺也像不倒翁一样，虽然只有一个尖着地， 却左右摇摆而不肯倒下。这就是

17、陀螺 效应：旋转的物体有保持其旋转方向（旋 转轴的方向）的惯性。陀螺只有一个旋转方向，已经很稳定了。而自行车有 2个轮子，显然 自行车轮子在高速旋转的时候，会使自行车更稳定。因此，骑车人撒开车把也 不会倒下。但遗憾的是，这并非一个合理的解释。陀螺效应在保持自行车稳定中也许起到不可忽略的效果，但是，如果 自行车单单凭借陀螺 效应保持稳定，那么，初学者也应该在高速骑车时不会倒 下。但是，2个陀 螺似乎并不足以支撑骑车人重达几十公斤的身体的倾斜。刚学习骑车往往会摔得很惨。从另一个方面看，骑独轮车的杂技演员由于车速很 低，甚至车轮完全停止转动，则基本无法依靠陀螺 效应保持平衡。自行车的平衡首先来自于骑

18、车人腰部的肌肉。熟练的骑车人，其身体 形成自动的条件反射，当自行车稍微倾斜倒下时，人的身体会感受到，腰部肌 肉会自动动作，把身体拉向另一侧，形成的反向力矩促使车身抬起。我们学习 骑自行车，也就是训练身体的肌肉完成这种条件反射，而一旦学会，这个控制 回路就保持在小脑中，随时可以启用，许多年也不会忘记。但是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时候稳定，这又是为什么 呢？自行车本身的平衡机制，来自于前叉后倾。我们可以观察到，几乎每辆自 行车的车把轴，都不是与地面完全垂直，而是后倾的。由于前轮是固定在车把 的前叉上，因此又叫前叉后倾。前叉后倾，使车辆转弯时产生的离心力其所形 成的力矩方向，与车轮偏转方向相反，迫使车轮偏转后自动恢复到原来的中间 位置上。这样，车子就有了自动回正的稳定性。车速越快，所造成的恢复力矩 越大，骑车人就越感到稳定。这就是高速骑车时，会感觉车子比刚刚起步的时 候稳定的原因。一般而言，车子前叉越后倾，车子越稳定，但转动车把越费劲；而后 倾角度小，转把较容易，但车子的稳定性不够。但如果自行车完全没有前叉后 倾，那么，骑自行车会是一件很痛苦的事情。自行车其实是相当复杂的力学体系，而汽车的前轮定位更加复杂。有 主销内倾、主销后倾、前轮外倾和前轮前束，这保证开车的时候车子尽可能稳 定，但又减少轮胎的磨损。