设么叫科氏加速度?

马拉松的长度2023-02-02  30

科氏加速度,是由科里奥利(G.G. Coriolis)于1832年在研究水轮机转动时提出的,因而得名科里奥利加速度,简称科氏加速度。科氏加速度是动参系的转动与动点相对动参系运动相互耦合引起的加速度。

通俗的讲,就是地球是转动的非惯性参照系,科氏加速度就是在地球中研究物体时由物体相对于地球的运动产生的。科氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量,大小和相对速度矢量的大小成正比。在南北半球的汽车行驶方向问题中有应用。

加速度是矢量,矢量a在右手系(i,j,k)中表示为r=xi+yj+zk的形式,其中x,y,z分别是它在i,j,k方向上的投影。位矢r在不同的参照系中x,y,z的值虽不同,但xi+yj+zk表示的都是同一个矢量r。加速度是位矢r关于时间的二阶导数,而非惯性系本身关于时间的二阶导数不为零,因此在非惯性系中看到的加速度并非是惯性系中的加速度。

考虑绕固定轴旋转的非惯性系。我们称相对于非惯性系加速度为零的点的加速度为牵连加速度,也可以把牵连加速度理解为使点随非惯性系一同运动所.需要的加速度。随非惯性系一同运动的点的速度不仅与转速有关,还和这个点相对位置有关。相对速度为v的质点,其相对位置发生变化,因此在惯性系看来就需要一个加速度来维持这种运动,此为科氏加速度的一部分另一方面,相对于非惯性系不变的速度矢量,在惯性系中的方向不断发生变化,于是就在惯性系看来具有一个加速度,此为科氏加速度的另一部分。

非惯性系中,只要认为物体具有一个和它在惯性系中等大反向的加速度,牛顿定律仍然适用,即处在非惯性系中的人是分不清自己是否处在非惯性系中的。地球即具有自转,又具有公转,是非惯性系。公转影响很小,可忽略不计,因此只考虑绕固定轴的自转。在地球这个非惯性系中,如果认为所有物体都受到一个和科氏加速度和牵连加速度等大反向的加速度,就可以当做惯性系来求解。有质量的物体,科氏加速度就会使其受到惯性力作用,即为科里奥利力(简称科氏力)。一般情况下,对物体的作用主要是地球引力,科氏力作用甚微。但高速运动或者长期作用情况下就必须考虑科氏力的影响。比如季风的形成,北半球为的河流为何总冲刷右岸等都是因科氏力引起的。

公式

1、科氏加速度是动基的转动与动点相对运动相互耦合引起的加速度。

2、科氏加速度的方向垂直于角速度矢量和相对速度矢量。公式如图:

3、选择转动的物体为参考系,则存在科氏加速度。

4、并不是只有定轴转动才有科氏加速度,比如参考系作平面运动也会产生科氏加速度。

其中,ω是参考系相对于惯性系的旋转速度,v是物体在这个旋转参考系中的速度.

科氏加速度和科氏力的方向相反。

数学推导

设旋转坐标系的角速度为ω,旋转轴上的参考点到空间点A的位置矢量用r表示。为加以区分,我们用"Da/Dt"表示矢量a在惯性系中随时间的变化率,用"da/dt"表示矢量a在非惯性系中随时间变化率.如果点A随着非惯性系一同旋转,则点A在惯性系中的速度可以表示为

v=Dr/Dt=ω×r

如果点A除了旋转外还以相对于非惯性系的速度v'=dr/dt运动,则点A在惯性系中的速度为

v=Dr/Dt=ω×r+v'=ω×r+dr/dt (1)

类似的,任何矢量b随时间的变化率在两参照系中有变换关系:

Db/Dt=ω×b+db/dt

对(1)求导,就可求出点A在惯性系中的加速度

a=Dv/Dt=D(ω×r)/Dt+D(dr/dt)/Dt

=(Dω/Dt)×r+ω×(Dr/Dt)+ω×(dr/dt)+d(dr/dt)/dt

=ε×r+ω×(ω×r+v')+ω×v'+a'

=ae+ac+a'

其中 ε=Dω/Dt为角加速度ae=ε×r+ω×(ω×r)为牵连加速度ac=2ω×v'为科氏加速度。a'为相对加速度。

如果在非惯性系中研究问题,只需认为研究对象具有"-a=-(ae+ac+a')"的加速度,则可以视作惯性系来处理。

科氏加速度公式是dA=(ω×A)dt+dA′。科氏加速度是在转动参考系中,物体在做牵连运动的同时,沿旋转半径做相对运动,由牵连运动和相对运动交互耦合而形成的加速度称为科里奥利加速度。

其方向的判定是:当牵连运动的速度随时间而增加时,加速度方向与牵连运动相同,反之则相反。两个参考系可以是相互旋转的,例如高速离心机开动时试管参考系和桌面参考系就是相对旋转的。试管中的颗粒沿试管作直线运动,而相对于桌面却是螺线运动,因此也需要旋转坐标系之间的变换。


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