觀察科里奧利力的裝置研究

摘 要：針對科里奧利力難以覺察，不易理解的問題，研制一種觀察科里奧利力的裝置，該裝置集機(jī)電為一體，通過電機(jī)帶動減速傳動機(jī)構(gòu)，使其水盆及噴水管順或逆時針旋轉(zhuǎn)，其裝置上的噴水管噴出的水在旋轉(zhuǎn)偏向力的作用下形成拋物線狀，由此現(xiàn)象直觀說明科里奧利力。

關(guān)鍵詞：水線條軌跡；旋轉(zhuǎn)體系；科里奧利力

1 研制背景及意義

當(dāng)一個質(zhì)點相對于慣性系做直線運動時，相對于旋轉(zhuǎn)體系，其軌跡是一條曲線。立足于旋轉(zhuǎn)體系，我們認(rèn)為有一個力驅(qū)使質(zhì)點運動軌跡形成曲線，這個力就是科里奧利力?？评飱W利力是運動物體由于慣性而在轉(zhuǎn)動的參照系中表現(xiàn)出來到一種“慣性力”，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)點的直線運動偏離原有方向的傾向被歸結(jié)為一個外加力的作用，這就是科里奧利力。

科里奧利力現(xiàn)象常常發(fā)生在我們身邊，由于地球自轉(zhuǎn)偏向力很小，科里奧利力被其他作用力的效應(yīng)所掩蓋。所以其效應(yīng)在日常生活中很難覺察，科里奧利力也是力學(xué)教學(xué)中的難點，課堂上用理論講解，不易使學(xué)生聽懂。因此，研制觀察科里奧利力的裝置對研究科里奧利力、利用科里奧利力，普及科學(xué)知識均有重要意義。

2 觀察科里奧利力的實驗原理

（1）接通水泵電源，水泵開始從水箱內(nèi)抽水，噴水管的十一個噴水孔噴出水形成十一股細(xì)細(xì)的水線條。觀察并記錄水盆及噴水管未旋轉(zhuǎn)時噴水管噴出的水形成的十一股水線條的軌跡現(xiàn)象。

（2）通過SB1轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇是否接通電抗器 L，確定水盆 “快”或“慢”旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。同時通過SB2轉(zhuǎn)換開關(guān)選擇是否接通電容C，改變主電動機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，確定水盆是按“順時針”或是按“逆時針”方向旋轉(zhuǎn)，這樣觀察水盆及噴水管改變旋轉(zhuǎn)方向及旋轉(zhuǎn)速度時，噴水管的十一個噴水孔噴出的水形成的水線條軌跡同時發(fā)生變化的現(xiàn)象及噴水管的十一個噴水孔距水盆旋轉(zhuǎn)中心遠(yuǎn)近分別不同時，噴水管的十一個噴水孔噴出的水形成的水線條軌跡各異的現(xiàn)象。

（3）當(dāng)水盆儲水較多時，關(guān)機(jī)將回水軟管與安裝在水盆出水口的閘門連接，取下閘門的堵水塞子將盆內(nèi)的水放回水箱，當(dāng)水盆內(nèi)的水回歸至水箱完畢，將堵水塞子仍舊塞住閘門出水口，若需繼續(xù)觀察，又重復(fù)前面步驟。

3 特色與創(chuàng)新

（1）當(dāng)接通水泵電源，水泵抽水，主電動機(jī)M2未啟動，水盆及噴水管不轉(zhuǎn)動，這時可觀察到從噴水管的十一個噴水孔噴出的水形成的十一股水線條直接噴向水盆底的中線，從而看出噴水孔噴出的水形成的水線條軌跡直線度基本上不受科里奧利力的影響。當(dāng)接通主電動機(jī)電源，主電動機(jī)帶動水盆及噴水管旋轉(zhuǎn)，這時可觀察到除噴水管長度的1/2處即大致對正水盆旋轉(zhuǎn)中心的一個噴水孔噴出的水形成的一股水線條的軌跡仍舊大致直指向水盆旋轉(zhuǎn)中心外，其余的噴水孔即從噴水管軸向方向從中心兩側(cè)由近至遠(yuǎn)排列的噴水孔，噴出的水形成的水線條的軌跡均成拋物線狀依次遞增偏離水盆底中線，由此現(xiàn)象說明科里奧利力，因為噴水管長度的1/2處即大致對正水盆旋轉(zhuǎn)中心的一個噴水孔噴出的水形成的水線條軌跡直線度基本上不受科里奧利力的影響或影響較小，所以該水線條形成的軌跡大致指向水盆旋轉(zhuǎn)中心；噴水管上的噴水孔距水盆旋轉(zhuǎn)中心近，該噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底中線的距離小，說明科里奧利力??；噴水孔距水盆旋轉(zhuǎn)中心遠(yuǎn)，其噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底中線的距離大，說明科里奧利力大；同樣，水盆及噴水管旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速快、慢不同，同一個噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底中線的遠(yuǎn)近就不同，科里奧利力的大小也就不同；水盆順、逆時針旋轉(zhuǎn)，可以觀察到噴水管的噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底中線的方向會隨著水盆及噴水管旋轉(zhuǎn)方向改變而改變。如果把水盆想象成地球，水盆旋轉(zhuǎn)中心相當(dāng)于地球的極點，其線速度為零，水盆順時針旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于自轉(zhuǎn)的地球的南半球，水盆逆時針旋轉(zhuǎn)相當(dāng)于自轉(zhuǎn)的地球的北半球，噴水管的噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡偏離水盆底的中線可以說明河流沖刷河岸的原因，也說明了“落體偏東”效應(yīng)，所以，該裝置觀察科里奧利力直觀，形象生動，有利于觀察者加深對科里奧利力的理解。

（2）采用電抗器L控制主電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，接通電源后，若轉(zhuǎn)換開關(guān)SB1的旋鈕上的指示線對準(zhǔn)裝置面板上的“慢”，即L串聯(lián)于電動機(jī)電路中，使主電動機(jī)繞組兩端的工作電壓下降，主電動機(jī)轉(zhuǎn)速變慢；若轉(zhuǎn)換開關(guān)SB1的旋鈕上的指示線對準(zhǔn)裝置面板上的“快”，L未被接入電路回路，主電動機(jī)全速運轉(zhuǎn)。這樣可使水盆及噴水管獲得慢、快兩種旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，使其噴水管上的同一個噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡隨水盆及噴水管旋轉(zhuǎn)速度的改變而改變偏離水盆底中線的距離，從而了解旋轉(zhuǎn)體系的轉(zhuǎn)速與科里奧利力大小成正比關(guān)系。

（3）設(shè)計主電動機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)速度相同，有利于觀察、比較噴水管的噴水孔噴出的水形成的水線條的軌跡隨水盆及噴水管旋轉(zhuǎn)方向改變，其水線條的軌跡偏離水盆底中線的方向也同時發(fā)生對稱改變的現(xiàn)象。

（4）由于觀察科里奧利力的旋轉(zhuǎn)速度不宜過高，所以本裝置采用了傳動比較大的旋轉(zhuǎn)減速器及三角皮帶減速傳動機(jī)構(gòu)對主電動機(jī)減速，旋轉(zhuǎn)減速器采用行星齒輪傳動機(jī)構(gòu)，由4個相同的行星齒輪均勻的分布在外齒中心輪與內(nèi)齒中心輪的周圍共同承擔(dān)載荷，因而傳遞功率大，傳動比也大。

參考文獻(xiàn)

[1]廖漢元，孔建益，鈕國輝.機(jī)械原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2]北京有色冶金設(shè)計研究總院.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993.

[3]沈敏德，宮濤，范維華.功能分析與創(chuàng)新設(shè)計[M].北京：機(jī)械設(shè)計雜志社，2001.

[4]曹巖，李建華.Solidworks2004產(chǎn)品設(shè)計實例精解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[5]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

（作者單位：重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）