科里奧利力

科里奧利力（英語：Coriolis Force）是對旋轉體系中進行運動的質點由於慣性相對於旋轉體系產生偏移的現象的表述。其最典型的一種表現為地轉偏向力。它屬於慣性力^[1]。此現象得名於其發現者法國數學家、物理學家、氣象學家暨工程師加斯帕爾-居斯塔夫·科里奧利。

例如，若把地球自轉看成逆時針運轉，那麼北半球因為慣性受到順時針地轉偏向力，會使北半球的風向右偏轉，偏南風逐步轉為西至西南風，偏北風則漸轉東至東北風；南半球則反之，風會因為南半球運轉，受到逆時針的偏向力向左偏轉，偏北風漸轉為西至西北風，而偏南風則逐步轉為東至東南風；而在赤道上，因為介於南北半球兩者之間，地轉偏向力則失效。

此現象主導地球的高壓區和低壓區（如熱帶氣旋）的空氣流向，北半球高壓區以順時針方向旋轉、低壓區逆時針旋轉；南半球則是反方向，高壓區逆時針旋轉，低壓區則是順時針。因為其效應只有在較大的時空尺度上才比較明顯，對於馬桶或水槽漩渦旋轉方向之類的小尺度、短時間過程的影響很不明顯。

概述

認識歷史

旋轉體系中質點的直線運動

科里奧利力是以牛頓力學為基礎的。1835年，科里奧利提出，為了描述旋轉體系的運動，需要在運動方程中引入一個假想的力，這就是科里奧利力。引入科里奧利力之後，人們可以像處理慣性參考系中的運動方程一樣簡單地處理旋轉體系中的運動方程，大大簡化了旋轉體系的處理方式。由於人類生活的地球本身就是一個巨大的旋轉體系，因而科里奧利力很快在流體運動領域取得了成功的應用。

物理學中的科里奧利力

科里奧利力可以是虛擬的或真實存在的：

當一個質點相對於一個旋轉參考系而言是靜止的，那麼，無論從這個旋轉參考系來看，還是從慣性參考系來看，都不存在科氏力；然而，當質點相對於旋轉參考系的運動速度方向與此旋轉參考系的角速度方向不平行，就會產生科氏力。這時，又分成幾種情況。

首先，當質點相對於旋轉參考系做慣性運動時，從旋轉參考系來看，不存在科氏力，但從慣性參考系來看，質點在做非慣性運動，必然是有外力的作用，此時，科氏力是真實存在的，施力者要麼是旋轉的物體，要麼是別的，總之，這個科氏力是一個有實質性起源的力。

其次，當質點相對於慣性參考系做慣性運動時，從慣性參考系來看，不存在科氏力，但從旋轉參考系來看，質點在做非慣性運動，此時，科氏力僅僅是質點相對於旋轉參考系的運動而產生的現象，這時的科氏力是虛擬的。

科里奧利力的計算公式如下: ${\displaystyle {\vec {F_{c}}}=-2m({\vec {\omega }}\times {\vec {v}})}$

式中${\displaystyle {\vec {F_{c}}}}$為科里奧利力；m為質點的質量；${\displaystyle {\vec {v}}}$為質點相對於旋轉參考系的運動速度；${\displaystyle {\vec {\omega }}}$為旋轉參考系的角速度；${\displaystyle \times }$表示叉積符號，科里奧利力的方向積照叉積規則確定。

可以推出，水平於地面方向運動分量的物體受力大小為：

${\displaystyle F=2\cdot mv\omega \sin \phi }$

${\displaystyle m}$為物體質量；${\displaystyle F}$為地轉偏向力的大小；${\displaystyle v}$為物體的水平運動速度分量；${\displaystyle \omega }$為地球自轉的角速度；${\displaystyle \sin }$是正弦函數；${\displaystyle \phi }$為物件所處的緯度。受力方向北半球向物體運動的右側，南半球向物體運動的左側。

科里奧利力產生的影響

在地球科學領域

由於自轉的存在，地球並非一個慣性系，而是一個轉動參照系，因而地面上質點的運動會受到科里奧利力的影響。地球科學領域中的地轉偏向力就是科里奧利力在沿地球表面方向的一個分力。地轉偏向力有助於解釋一些地理現象，在北半球運動的物體（如氣流）有向右偏轉的趨勢，在南半球運動的物體則有向左偏轉的趨勢。因此，北半球的河流，流向的右側因侵蝕較強而多峭壁，左側則多平緩河岸。南半球反之。

傅科擺

主條目：傅科擺

該圖顯示傅科擺在南半球時運動的動畫（注，此圖只是示意圖，對於真實擺，必須具5公尺以上才能觀察到目視可見的偏轉）

擺動可以看作一種往復的直線運動，在地球上的擺動會受到地球自轉的影響。只要擺面方向與地球自轉的角速度方向存在一定的夾角，擺面就會受到科里奧利力的影響，而產生一個與地球自轉方向相反的扭矩，從而使得擺面發生轉動。1851年法國物理學家萊昂·傅科預言了這種現象的存在，並且以實驗證明了這種現象，他用一根長67公尺的鋼絲繩和一枚27公斤的金屬球組成一個單擺，在擺垂下鑲嵌了一個指針，將這個巨大的單擺懸掛在教堂穹頂，實驗證實了在北半球擺面會緩緩向右旋轉。由於傅科首先提出並完成了這一實驗，因而實驗被命名為「傅科擺實驗」。

信風與季風

地球表面不同緯度的地區接受陽光照射的量不同，從而影響大氣的流動，在地球表面沿緯度方向形成了一系列氣壓帶。在這些氣壓帶壓力差的驅動下，空氣會沿着經度方向發生移動，而這種沿經度方向的移動可以看作質點在旋轉體系中的直線運動，會受到科里奧利力的影響發生偏轉。由科里奧利力的計算公式不難看出，在北半球大氣流動會向右偏轉，南半球大氣流動會向左偏轉，在科里奧利力、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。

隨着季節的變化，地球表面沿緯度方向的氣壓帶會發生南北漂移，於是在一些地方的風向就會發生季節性的變化，即所謂季風。當然，這也必須牽涉到海陸比熱差異所導致氣壓的不同。

科里奧利力使得季風的方向發生一定的季節性偏移，因Trade在古英語中有週期性的含義，所以有著直譯出的貿易風，但與貿易並無關係。

熱帶氣旋

熱帶氣旋的形成也受到科里奧利力的影響。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力差的驅動下向低氣壓中心定向移動，這種移動受到科里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着逆時針方向而在南半球沿着順時針方向，由於旋轉的作用，低氣壓中心得以長時間保持。不過在赤道一帶，由於地轉偏向力不足，低氣壓無法強烈旋捲，因此在南北緯1度以內形成或活躍的熱帶氣旋極之罕見。

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  北半球的颱風尼伯特
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  南半球的氣旋溫斯頓

對長距離飛行物的影響

當長途飛機、洲際導彈等長途飛行的物體在規劃路線時，必須考慮科里奧利力的影響才能準確地到達目的地。

參見

• 陀螺儀
• 參考系拖拽

參考文獻

1. Frautschi, Steven C.; Olenick, Richard P.; Apostol, Tom M.; Goodstein, David L. The Mechanical Universe: Mechanics and Heat, Advanced Edition illustrated. Cambridge University Press. 2007: 208 [2021-03-18]. ISBN 978-0-521-71590-4. （原始內容存檔於2021-04-16）.