科里奧利力（Coriolis force）簡稱為科氏力，是在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生直線運(yùn)動偏移的一種描述。科里奧利力是以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)的，由1835年法國科學(xué)家古斯塔夫?科里奧利提出，是為了描述旋轉(zhuǎn)體系的運(yùn)動，而在運(yùn)動方程中引入的一個(gè)慣性力。
地球由于自轉(zhuǎn)的存在，本身就是一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)動體系，因而地面上物體的運(yùn)動都會受到科里奧利力的影響，包括氣流、水流的運(yùn)動。在微觀上，科里奧利力會對分子的振動轉(zhuǎn)動光譜產(chǎn)生影響。科里奧利力在機(jī)械工程等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，比如質(zhì)量流量傳感器、陀螺儀等都是根據(jù)科里奧利力原理制成。
定義
科里奧利力是對旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動的偏移的一種描述。從物理學(xué)的角度考慮，科里奧利力是慣性力的一種，不是真實(shí)存在的力，而是慣性作用在非慣性系內(nèi)的體現(xiàn)。
科里奧利力來自于物體運(yùn)動所具有的慣性，在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性的作用，具有沿著原有運(yùn)動方向繼續(xù)運(yùn)動的趨勢，但是由于體系本身是旋轉(zhuǎn)的，在經(jīng)歷了一段時(shí)間的運(yùn)動之后，體系中質(zhì)點(diǎn)的位置會有所變化，而它原有的運(yùn)動趨勢的方向，如果以旋轉(zhuǎn)體系的視角去觀察，就會發(fā)生一定程度的偏離。當(dāng)一個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對于慣性系做直線運(yùn)動時(shí)，相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，認(rèn)為有一個(gè)力驅(qū)使質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡形成曲線。
根據(jù)牛頓力學(xué)的理論，以旋轉(zhuǎn)體系為參照系，這種質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動偏離原有方向的傾向被歸結(jié)為一個(gè)外加力的作用，這就是科里奧利力。
簡史
意大利科學(xué)家喬瓦尼·巴蒂斯塔·里喬利 (Giovanni Battista Riccioli)和他的助手弗朗切斯科·瑪麗亞·格里馬爾迪 (Francesco Maria Grimaldi)在 1651 年的《新天文學(xué)大成》中描述了與火炮有關(guān)的效應(yīng)，寫道地球自轉(zhuǎn)會導(dǎo)致向北發(fā)射的炮彈偏向東方。
1674 年，克洛德·弗朗索瓦·米利埃·德查勒斯(Claude Fran?ois Milliet Dechales)在他的《數(shù)學(xué)世界》中描述了地球的自轉(zhuǎn)如何導(dǎo)致落體和瞄準(zhǔn)地球兩極之一的拋射物的軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
古斯塔夫·科里奧利曾經(jīng)任巴黎理工學(xué)院分析和力學(xué)副教授。1835年，他著手從數(shù)學(xué)上和實(shí)驗(yàn)上研究自轉(zhuǎn)表面上的運(yùn)動問題。他在他發(fā)表的論文《論物系相對運(yùn)動的方程組》中指出，在一個(gè)旋轉(zhuǎn)面上，除了物體運(yùn)動的通常效應(yīng)外，還有與運(yùn)動方向成直角的慣性力作用于該物體。這種力作用的結(jié)果使得物體本來應(yīng)走的直線變成了曲線。地球每24小時(shí)自轉(zhuǎn)一周，赤道面上的一點(diǎn)在此時(shí)間內(nèi)運(yùn)行25000英里，因此每小時(shí)大約向東運(yùn)行1000英里。在紐約緯度地面上的一點(diǎn)，一天只需行進(jìn)19000英里，向東運(yùn)行的速度僅約為800英里每小時(shí)。由赤道向北流動的空氣，保持其較快的速度，因此相對于它下面運(yùn)動較慢的地面而言會向東行水流的情況也是一樣。因此，空氣和水在背向赤道流動時(shí)好像被推向東運(yùn)動，反之會向西運(yùn)動，這樣會形成一個(gè)圓。推動它們運(yùn)動的力就稱為科里奧利力。
數(shù)學(xué)模型
科里奧利力數(shù)學(xué)表達(dá)式：.
為科里奧利力，為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量，為質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度，為旋轉(zhuǎn)體系的角速度，為兩個(gè)向量的向量積符號。
相關(guān)概念
科里奧利效應(yīng)
在向赤道或赤道兩側(cè)運(yùn)動時(shí)，除非物體緊貼地面運(yùn)動，否則物體的運(yùn)動路線不是直線而是發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在北半球時(shí)物體向右偏轉(zhuǎn)，而在南半球時(shí)則向左。所以空氣和水在北半球按順時(shí)針方向運(yùn)動，而在南半球則是按逆時(shí)針方向運(yùn)動，稱之為科里奧利效應(yīng)。
科里奧利加速度
在轉(zhuǎn)動參考系中，物體在做牽連運(yùn)動的同時(shí)又沿著轉(zhuǎn)動半徑做相對運(yùn)動，由于相對運(yùn)動與牽連運(yùn)動之間的交互耦合作用而產(chǎn)生的加速度，稱為科里奧利加速度，記為，。
例如，由于地球繞地軸轉(zhuǎn)動，地面上物體相對地球運(yùn)動時(shí)只要其相對速度方向不和地軸平行，此物體就有科里奧利加速度，沿地球經(jīng)線或緯線運(yùn)動的物體都有科里奧利加速度。
影響
氣象學(xué)
地球由于自轉(zhuǎn)的存在，本身就是一個(gè)巨大的轉(zhuǎn)動體系，因而地面上物體的運(yùn)動都會受到科里奧利力的影響。在地球科學(xué)領(lǐng)域里，常說的地轉(zhuǎn)偏向力就是科里奧利力在沿地球表面方向的一個(gè)分力。地球上的風(fēng)，一般都是尺度較大的氣流運(yùn)動，因而受到科里奧利力的影響更為顯著。在北半球，科里奧利力使風(fēng)向右偏離其原始路線；在南半球，這種力使風(fēng)向左偏離。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)會向右彎曲，形成一個(gè)逆時(shí)針方向的旋轉(zhuǎn)氣流，稱之為氣旋。從高壓中心輻散出來的空氣，則因?yàn)橄蛴覐澢纬闪?a href="/hebeideji/7441380775864484874.html">順時(shí)針方向的旋風(fēng)，稱之為反氣旋。在南半球，情形正好相反。
臺風(fēng)旋轉(zhuǎn)的也是受到科里奧利力的影響：臺風(fēng)中心的氣壓較低，在低層，周圍的空氣在壓力差的驅(qū)動下向低壓中心移動并不斷上升；在臺風(fēng)頂部，氣流向外輻散。氣流的流入和流出都會受到地轉(zhuǎn)偏向力的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而形成旋轉(zhuǎn)的氣流。由此可知，科里奧利力是臺風(fēng)形成的必要條件之一。
海洋學(xué)
由于受到科里奧利力影響，海洋表層的水在北半球流到風(fēng)的右邊，在南半球流到風(fēng)的左邊。科里奧利力也可以解釋河道的一邊往往比另一邊被沖刷得更厲害這一現(xiàn)象。
微觀科里奧利力
在微觀上同樣存在科里奧利力的作用，它會對分子的振動轉(zhuǎn)動光譜產(chǎn)生影響。分子的振動可以看作質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動，分子整體的轉(zhuǎn)動會對振動產(chǎn)生影響，從而使得原本相互獨(dú)立的振動和轉(zhuǎn)動之間產(chǎn)生耦合。另外由于科里奧利力的存在，原本相互獨(dú)立的振動模之間也會發(fā)生能量的轉(zhuǎn)換，這種能量的轉(zhuǎn)換會對分子的紅外光譜和拉曼光譜行為產(chǎn)生影響。
應(yīng)用
傅科擺
傅科擺是指在巴黎先賢祠的拱頂下一個(gè)67米長的鋼索懸掛著一顆28千克重的鉛錘擺。這個(gè)單擺的擺動平面以每小時(shí)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)11°，32.7小時(shí)環(huán)繞一圈。在每一次擺動中，科里奧利力都使擺像轉(zhuǎn)了一點(diǎn)點(diǎn)，但是如果長時(shí)間觀看的話，每個(gè)小時(shí)擺的軌跡都會向右轉(zhuǎn)過11°，經(jīng)過約32.7小時(shí)擺才會轉(zhuǎn)過一圈，這個(gè)周期會隨著擺所在地的緯度變化。正是這樣緩慢面堅(jiān)定的偏移使人們能親眼看到地球轉(zhuǎn)動引起的效應(yīng)，而這一切都源于科里奧利力。
質(zhì)量流量計(jì)
質(zhì)量流量傳感器是在石油、化工等生產(chǎn)過程中所用的流量儀表，可以直接測得單位時(shí)間內(nèi)所流過的被測介質(zhì)的體積流量。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是以科里奧利力測量原理為基礎(chǔ)，在傳感器內(nèi)部有兩根平行的T形振動管，中部裝有驅(qū)動電感線圈，兩端裝有拾振線圈，變送器提供的激勵(lì)電壓加到驅(qū)動線圈上時(shí)振動管作往復(fù)周期振動，工業(yè)過程的流體介質(zhì)流經(jīng)傳感器的振動管，就會在振動管上產(chǎn)生科里奧利效應(yīng)，使兩根振動管扭轉(zhuǎn)振動，安裝在振動管兩端的拾振線圈將產(chǎn)生相位不同的兩組信號，這兩個(gè)信號差與流經(jīng)傳感器的流體質(zhì)量流量成比例關(guān)系，計(jì)算機(jī)解算出流經(jīng)振動管的質(zhì)量流量。
陀螺儀
陀螺儀作為一種慣性測量器件，是慣性導(dǎo)航、慣性制導(dǎo)和慣性測量系統(tǒng)的核心部件，廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域。陀螺儀通過使用一種類似于人在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺移出或移入的諧振質(zhì)量元件，利用科里奧利效應(yīng)來測量角速度。通過附著在諧振體上的電容檢測元件測量諧振質(zhì)量元件及其框架由于科里奧利效應(yīng)產(chǎn)生的位移。
參考資料 >
臺風(fēng)為什么會旋轉(zhuǎn).中國氣象局.2024-01-24
實(shí)驗(yàn)2.14 科里奧利力演示.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）物理實(shí)驗(yàn)中心.2024-02-05