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简介【科氏加速度】的相关知识

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先从地球讲起
(注: 我说的也仅是个人理解,误入此楼者请注意鉴别。当然,我会尽力给出主流依据)
无论是物理学还是地理学,都有【科氏力(科里奥利力)】【地转偏向力】相关内容
这就是【转动参考系】惯性力家族成员之一
说科氏加速度为什么要说科氏力?
科氏加速度存在于惯性系中,具有明确的施力者,而科氏力存在于转动参考系中,没有施力者,说他干啥?
原因是,科氏加速度与科氏力大小相同方向相反,知道了科氏力,也就知道了科氏加速度
而地球上的科氏力,是大家所熟知的。所以从地球表面的科氏力开始
即傅科摆、落体偏东、炮弹跑偏、河流冲刷、台风气旋等等现象,选一个开侃
需要画图
我的叙述有动图跟进,估计要比课本形象些

先弄张图备用
可以看到,科氏力与物体运动速度垂直、与转动系角速度垂直
计算规则是fc=2mv×Ω
也就是物体相对转动参考系的速度,转动参考系的角速度,矢量积
方向由右手定则确定
这些都是教材内容,无须赘述


IP属地:北京1楼2019-09-02 23:09回复

    这个地球简陋了些,只有两根经线两根纬线,理解万岁吧,弄多了太乱
    地球上有个圆周运动的质点,可以说它是水流或者气旋,都无所谓,只要他相对地表在运动即可
    相对地表不运动,可是没有科氏力的
    根据19楼教材插图,做质点m科氏力示意图如下

    地球已经不转动了,也就是进入了旋转参考系
    m点的科氏力Fk,如图所示
    (强调:科氏力的大小是变化的,比如在水平位置最小。此图只表示方向,不涉及大小)
    可以看到,科氏力始终与Ω垂直
    (废话,用Ω叉乘出来的,不垂直就见鬼了)
    然后,前面说过,惯性系下的科氏加速度,与科氏力方向相反
    也就是第一图中,可就没有科氏力了,而存在一个时刻与2图科氏力方向相反的加速度
    那就是【科里奥利加速度】,当然也必然与Ω垂直
    ======================================
    以上都是教材内容,我不过是制成了动图,并且通俗化
    以下是我的发挥
    把地球去掉,只剩下小圆盘,那可就是自转并进动陀螺了
    因此,陀螺上质点的科氏加速度,或者科氏力,也同样与进动角速度Ω垂直
    两者对质点的受力分析是一样的,但是力矩有所区别,本楼动图情形,如果是刚性轨道,要考虑陀螺力矩


    IP属地:北京2楼2019-09-02 23:17
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      我对科氏加速度(科里奥利加速度)的计算与推导
      选用自转轴水平的情形,建立质点运动模型


      为什么选这个模型?因为他最简单,去除了一切可以去掉而不影响本质因素
      最简单的模型,就是核心
      其他都属于周边的技术问题
      质点以角速度ω绕中心轴旋转,并以角速度Ω绕Z轴旋转,半径R不变
      选择质点位于顶点时为起始时刻
      现在开始分析质点的加速度以及受到的作用力
      经时间t ,质点运行到下图位置

      质点的运动方程
      x(t)=Rsin(ωt)cos(Ωt)
      y(t)=Rsin(ωt)sin(Ωt)
      z(t)=Rcos(ωt)
      第一次求导,得到各轴速度分量
      x'=vx(t)=Rωcos(ωt)cos(Ωt)-RΩsin(ωt)sin(Ωt)
      y'=vy(t)=Rωcos(ωt)sin(Ωt)+RΩsin(ωt)cos(Ωt)
      z'=vz(t)=-Rωsin(ωt)
      这是质点在t时刻的速度在三个坐标轴上的分量,合成他们
      v²=vx²+vy²+vz²
      =R²ω²[cos(ωt)cos(Ωt)]²-2R²ωΩcos(ωt)cso(Ωt)sin(ωt)sin(Ωt)+R²Ω²[sin(ωt)sin(Ωt)]²
      +R²ω²[cos(ωt)sin(Ωt)]²+2R²ωΩcos(ωt)cso(Ωt)sin(ωt)sin(Ωt)+R²Ω²[sin(ωt)cos(Ωt)]²
      +R²ω²[sin(ωt)]²
      整理得
      v²=R²ω²[cos(ωt)]²+R²Ω²[sin(ωt)]²+R²ω²[sin(ωt)]²
      =R²ω²+R²Ω²[sin(ωt)]²
      =[Rω]²+[RΩsin(ωt)]²
      可以看到,质点的速度v由两个分速度合成
      Rω就是随圆盘自转的切向速度

      RΩsin(ωt)是质点垂直自转盘面方向(绕Z轴旋转)的速度,也就是此图那个变化的红箭头
      当然也就是直接从图上看出的v(t)=RΩsinωt
      再次求导,得到加速度
      ax=-R(Ω²+ω²)sin(ωt)cos(Ωt)-2RΩωcos(ωt)sin(Ωt)
      ay=-R(Ω²+ω²)sin(ωt)sin(Ωt)+2RΩωcos(ωt)cos(Ωt)
      az=-Rω²cos(ωt)
      合成他们
      a²=ax²+ay²+az²
      质点加速度
      a²=[-R(Ω²+ω²)sin(ωt)cos(Ωt)-2RΩωcos(ωt)sin(Ωt)]²+[-R(Ω²+ω²)sin(ωt)sin(Ωt)+2RΩωcos(ωt)cos(Ωt)]²+[-Rω²cos(ωt)]²
      整理得
      a²=[2RΩωcos(ωt)]²+[RΩ²sin(ωt)]²+[Rω²]²+2[RΩωsin(ωt)]²
      可以看到
      该加速度由3部分构成
      第一部分(上图中的1)-------Rω²,轨道运动向心加速度,指向圆心
      第二部分(上图中的2)-------RΩ²sin(ωt),公转(进动)运动向心加速度,指向Z轴
      第三部分(上图中的3)-------2RΩωcos(ωt),方向与前两项垂直。这东西就是科里奥利加速度
      【至此】可以得到质点垂直自转轨道方向的速度与加速度
      v(t)=RΩsinωt
      a(t)=2RΩωcos(ωt)
      可以直观地发现,这是正弦和余弦的关系,类似简谐运动,我称之为【类简谐运动】(相信是首创)
      这个加速度具有施力者,即外力矩M
      经过简单推导,可得到规则进动角速度公式Ω=M/Jω
      简而言之,就是余弦形式的作用力,迫使质点速度以正弦形式变化,从而形成进动
      第三部分简单一叉就出来了ak=2Ω×v,何必大费周章如此麻烦求解质点运动方程?
      弄了一尺多长的方程干啥?耍酷?
      (厉风的求导过程,方程的长度恐怕还不止一尺。原帖已消失,就不建议去看了。说方程的长度纯属搞笑,意思是真的不短)
      被流放获得冥王星慨叹【求导好痛苦!】,拉普拉斯、厉风等动用了mathematica,guojiabd、版上中微子等也都参与其中
      简单叉一下,举手之劳,为什么要费这劲?
      原因在于我【要避开叉乘】,如果不避开,那么没理由不接受力矩M=r×mg,方向就水平了。根据角动量定理,陀螺就要水平进动
      陀螺进动现象如此简单就已经解释完毕,也就没什么可说了
      然而,问题就出在这个【叉乘】,这样做的理由或者依据,是什么?
      理查德费曼教授说【这是数学的解释,而非物理】
      沃尔特雷文教授说【不可思议的反直观性,不只是你们想不通】
      他们在说什么?


      IP属地:北京5楼2019-09-03 00:03
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        本人蜗居在此已近十年,以往与众多民间研究者甚至官方高手过招,不计其数
        实在是累了。除非闲来无事,不再与人争斗
        然而,仍不时有人找上门来
        我欢迎任何讨论,但是要遵从力学基本逻辑,要理性,要有一定的力学基础
        但是,并非人人都具有这些素质,力学基础混乱者倒是不少见,甚至连力的平移定理都没学过,也敢妄言
        实话说,你们犯的错误都不是原创,什么离心力、惯性力、抵消力矩、动平衡等等等等,以前我一直在与之争斗,曾在各大力学论坛建起陀螺高楼,却收效甚微。可见【观念】的坚定性,即使眼睁睁看着事实,也要不顾事实胡言乱语
        没办法,我只好隐居于此
        只要不主动打搅我,我一般不再去试图说服别人
        我在此的目的,是在等一个人
        此人能理解我讲述的道理,并具有一定的基础,重要的是【愿意接受并守护延续这番道理】,到那天也就是我放手的日子
        有生之年能等到吗?
        等不等是态度,等不等的到是缘分,一切随缘
        放手之前,我会系统整理陀螺话题,做成专题形成静态动态等各种版本,甚至还有配乐的打算,这叫做毕其功于一役,也不枉我多年的坚守
        其实筹备工作已经开始,两点陀螺实验是其中之一
        再明确一次,我也是【民科】
        然而我这个民科与其他所有民科有区别,那就是,我的观点并非只有我自己相信


        IP属地:北京8楼2019-09-03 09:47
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          大佬可以问个问题吗?


          IP属地:云南来自Android客户端9楼2020-07-05 10:18
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            哪个,一个牵连点在一个有质量的杆上,牵连点不在杆的质心上,这个杆是动系,那科式加速度的位置在哪,是在杆的质心上,还是在那个牵连点上,如果要对科式加速度应用达朗贝尔原理吗?


            IP属地:黑龙江来自iPhone客户端10楼2020-09-02 11:13
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              以圆锥摆为例
              理想惯性系,质点m做圆锥摆运动

              根据牛顿力学,质点受到两个力的作用
              1.重力mg
              2.摆线的拉力F
              根据达朗贝尔(力学)原理,质点除了mg和F外,还受到一个(虚拟)惯性力Df的作用
              如图水平箭头Df
              三力达成平衡

              这里需要注意,达朗贝尔惯性力Df与力学教材中普通的基于变换参考系而存在的惯性力,有本质区别
              普通的惯性力需要进入转动参考系,而达朗贝尔惯性力不需要,它存在于惯性系
              到这里就说明【科里奥利加速度】与【达朗贝尔原理】无关
              以上两图,均不存在【科里奥利加速度】,也就是质点相对同转速的转动参考系静止,不会有科氏加速度,但是可以有达朗贝尔惯性力
              进阶问题

              如果是轻质摆杆,且有一质点n沿摆杆运动
              并强制摆杆保持倾角匀速转动(如不强制,不论n匀速还是变速运动,摆杆的倾角和角速度都将变化)
              那么此时质点n将会具有科氏加速度,这个加速度垂直于摆杆的角速度以及n的运动方向
              大小为ak=2vΩcosθ
              此加速度与真实的同方向的作用力相对应
              该作用力来自对摆杆的强制
              嘿嘿,一扯上惯性力,不管是非惯性系惯性力还是达朗贝尔惯性力,都不是那么容易说清楚
              实际上,牛顿力学原本简单,如第一图
              没什么解决不了的力学问题,要扯皮的不过是【理想惯性系】而已,不过那是哲学,而非物理
              后人添加了各种惯性力,不但没有解决【理想惯性系】问题,反而增添了许多麻烦
              基于达朗贝尔原理的哈密顿力学、拉格朗日力学等等,好用吗?好用
              讲清楚了力学根本吗?比如回答【为什么】?没有
              目前的状况就是这样,力学乃至整个物理学,越来越不能解释【为什么】
              大家都各种参考系中随意进出,甚至连描述质点的运动都不明朗,更不用说它的受力,以及力的来源
              找到力的来源,也就是指明施力者,才是根本,才能解答质点或者物体【为什么会这样运动】
              可惜,力学系统虽然极为庞大繁杂,却不能解答


              IP属地:北京12楼2020-09-03 12:50
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                当然,物理学是实用科学,好用就行,不负责追寻本质
                因此,一旦【穷追究竟】,就将脱离物理学,而进入哲学
                然而,哲学艰涩高深,而且最终也将陷入无休无止的思辨中,不能解决实际问题
                所以人们仍习惯于用熟悉的物理学知识来解读自然界,希望眼前的这些现象能有个解释
                以惯性定律为例
                物体不受力(或所受合外力为零),该物体将保持静止(或直线匀速运动)
                这实际上既符合直观感受,也符合哲学思辨
                没人见过桌子上的电脑,无缘无故自己跑掉,脚下的足球自己飞起来,这都是直观感受
                然后思辨:如果反对这个说法,那么就要回答静止的球自己该向什么方向运动,或者直线运动的球自己该向什么方向转弯
                显然这个问题无法回答,那就要默认这个说法正确
                所以,对自然的解释,存在于物理学与哲学的交界点
                ==========================================
                再来说说
                根据达朗贝尔(力学)原理,质点除了mg和F外,还受到一个(虚拟)惯性力Df的作用
                如图水平箭头Df
                三力达成平衡

                ==========================================
                这个【平衡】,尽管达朗贝尔特殊说明是【虚假的】,也害苦了所有人
                民科不用说,有一个算一个,【平衡】思想深入骨髓,他们认为是真的平衡了
                正规教材也屡见不鲜,伟大的理查德费曼也说【陀螺进动起来,就会有力矩平衡掉重力矩】
                然而,这个【平衡】在哲学思辨中,是不能过关的
                首先,虚假平衡:目的是要揭示真相,立足于虚假,怎么可能看到真相?
                其次,真的平衡:直接违反【惯性定律】,合外力为零,质点做曲线运动,这就闹笑话了
                所以,【真相】就是【不平衡】
                必须基于这个实事求是的观念,才能说明白它如此运动的道理


                IP属地:北京13楼2020-09-05 11:31
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                  达朗贝尔惯性力,存在于惯性系
                  在达朗贝尔力学中,物体无论作何种运动,都受力平衡
                  这显然直接违背牛顿力学宗旨
                  说是【虚假的】还不行吗?不行
                  对于揭示物体为什么会如此运动,涉及元素越少越好
                  添加元素,不但无助于揭示真相,反而添乱,掩盖真相
                  上面说过,基于达朗贝尔原理的【平衡】思想,发展起了极为庞大的力学理论,哈密顿力学、分析力学等等
                  这些工具,也许的确很好用,比直接求解牛顿力学方程,可能要简单些
                  但是,不客气地说,物理学也变得离真相越来越远


                  IP属地:北京14楼2020-09-06 09:55
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                    一个力学初学者,遇到一个问题也是关于科氏加速度的问题,问得不是很深奥,只是目前希望得到答案。


                    IP属地:山东来自手机贴吧15楼2021-03-16 15:23
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                      一个做移动一个定轴转动,两者以移动副相连,想问,若以定轴转动构件为动系,求解重合点处做移动构件上(即动点)的加速度,此时存在科氏加速度,相反,若动点和动系交换,此时是否还存在科氏加速度


                      IP属地:山东来自手机贴吧16楼2021-03-16 15:28
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                        我想知道科氏加速度有没有明确的施力者,比如动参考系是个定轴转动的转盘那么这个转盘会收到反作用力吗


                        IP属地:湖北来自iPhone客户端17楼2022-01-06 01:54
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                          【原因是,科氏加速度与科氏力大小相同方向相反】
                          口误口误
                          加速度怎么会与力【大小相同】?
                          只说【方向相反】就可以了
                          言多语失,古人之告诫需要严格遵守


                          IP属地:北京18楼2022-01-08 11:45
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                            这里说的是动点在静系中的【绝对加速度】,与转动参考系中的科氏力无关
                            这个ac就是科氏加速度,是静系中的加速度
                            目前所见的理论力学教材都是这样规定
                            @池边洗砚😷 同学可以参考此课件
                            有什么异议也请随时提出,我们共同学习
                            我的理解不见得正确,若能得到指点进步,也是不胜感谢


                            IP属地:北京19楼2022-01-18 09:02
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                              又找了一篇文章,以供参考


                              IP属地:北京20楼2022-01-18 09:18
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