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

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：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弪方向，是因为沿矢弪方向移动时候，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。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，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，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）；此外，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。

因此，我们看到，在解释实际的物理现象时侯，切不可滥用物理学定律。由此我想到，物理学家尽管在黑板和实验室往往很成功，但面临具体的工程领域，需要大量简单但系统的建构时，就显得力不从心了。因为物理学研究的是抽象模型，这些模型常常是几个变量作用的简单系统，要定量研究清楚，一个需要数学，还有就是需要洞察力；但实际的系统，常常非常复杂，发明这些系统，除了需要洞察力，更多的是类似于设计师一类的建构能力。这就是为什么爱迪生完全没有物理学知识，却可以做出许多重要发明；为什么许多发明尽管被认为是物理学的应用，但其实于物理学无关。

举个例子：蒸汽机尽管是物理学的一个应用，但如果仅仅认为，瓦特是看到水壶的蒸汽把盖子掀开，认识到膨胀的气体可以做功，就发明了蒸汽机，这就太简单了。

实际的情况时，如果不能想出活塞、曲轴、连杆等装置把直线运动转化成圆周运动；不能把进气和排气阀的开启和关闭，用某套机构跟曲轴联系起来；不能设计出合理减速比的传动系统，那么蒸汽机还只是一个物理学的教案，而不能成为现实。

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问题出在哪里呢？其实很多人习惯用某某效应理解问题，但是显然效应的适用范围要比原理或者定理小许多，所以用效应解释问题就容易出现偏差，但并不是因为那些效应的基本原理错了，只是没考虑实际情况，忽略其他重要因素，没用在适当的地方而已。

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