如题主提到的惯性力作为虚拟力,却可以造成车祸现场的伤亡,这其实不是惯性力的作用后果,而是惯性的作用效果,惯性是实实在在存在的。

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惯性力本质是什么?:科氏力

感谢小秘书邀请,惯性力的本质就是惯性在非惯性系中的一种体现,精简一点表达就是惯性力的本质就是惯性的外在体现,从效果上来看就像一种作用力的效果,但实际是一种假想力,并不实际存在,理由如下。

惯性力本质是什么?:科氏力 第1张

如题主提到的惯性力作为虚拟力,却可以造成车祸现场的伤亡,这其实不是惯性力的作用后果,而是惯性的作用效果,惯性是实实在在存在的。

惯性力本质是什么?:科氏力 第2张

如果不受外力,两辆车本来要保持原来的运动状态,这是惯性的表现,惯性是物体的固有属性,当撞击的瞬间,相当于要改变这种运动状态,这就需要外力作用,就是俩辆车之间的撞击力,而且这种力相互作用的。这也可以从动量的角度去思考。

惯性力根本不是真实的力,所里也不存在反作用力,如果惯性力是真实的存在的 ,那么他的反作用力又哪去了呢?

惯性力本质是什么?:科氏力 第3张

那么为什么要提出惯性力的概念?

惯性力得提出可使得一些计算简单化,当选择非惯性系时,牛顿第二定律F=ma是不适用的,但是在非惯性系中假想出惯性力,就可以使用牛顿第二定律进行解决实际问题了,这为计算一些天体运动带来方便,这也可以看做是对牛顿第二定律的一个形式方面的修正。

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假设从地球垂直向上投射一物高达万米后垂直下落,此物落向何处?为何不是原来那个点?:科氏力

首先,以地面参考系,物体垂直向上、再垂直向下,不可能回到原始位置,这跟时空扭曲无关,而是与地球自转产生的科氏力有关。其次,根据爱因斯坦的相对论,引力是空间扭曲引起的表象,并不是实际的力,不存在引力扭曲的说法。下面,我就分两点,逐步稍微详细的解答这个问题。

1、旋转参考系引起的科氏力关于科氏力(科里奥利力)其实非常的有名,经常能在头条见到大家探讨科氏力。同学们敬爱的乐乐老师,就有专门讲过科氏力。因此,在这里就简单介绍一下原理。

惯性力本质是什么?:科氏力 第4张

科氏力是一种惯性力,其成因在于参考系的旋转。如上图,小球沿着圆盘径向运动,同时圆盘在旋转,那么实际上小球没有办法沿着直线的径向运动,而是会发生偏转,就好像受到一个冥冥之中不存在的力,让它发生了偏转。这个不存在的力就是科氏力。

法国科学家对这一现象进行了深入的研究,并且得到了科氏力的表达式,如下。从中发现,科氏力与参考系的角速度和物体的相对速度有关。也就是说,旋转的物体会产生科氏力。

惯性力本质是什么?:科氏力 第5张

回到本问题,我们假设在赤道上进行实验。首先是向上垂直运动,相对速度v向上,地球自西向东,角速度的矢量方向出屏幕(右手法则判断),两者叉乘以后(右手法则),得到向左的方向,再加上负号,就得到向右的科氏力方向了,如下图。因此,在向上运动阶段,小球会不自觉地往右偏。同理,下降阶段,小球不自觉地向左偏。但是,由于上下过程中的速度不一样(空气阻力的影响),左右的偏转大小不能抵消,总体而言落点偏西侧。总体上,上升阶段速度大于下降阶段,因此总体上上升阶段科氏力大于下降阶段,落点偏右。

惯性力本质是什么?:科氏力 第6张

从上面的分析,我们发现上抛的物体不再坠落到原点的原因在于地球的自转和空气阻力,跟时空的扭曲并没有关系。但是,我们还是要分析一下,时空的扭曲是否也会造成落点的不一致。为此,我们先判断下题主说的引力扭曲说法是否正确?

2、引力的扭曲?

惯性力本质是什么?:科氏力 第7张

牛顿力学中,引力或者重力的表达式为mg,其中g为重力加速度。爱因斯坦看到这个表达式就觉得引力不简单。因为,我们知道不存在的惯性力表达式为ma,a为加速度。重力的表达式与惯性力的表达式非常类似。所以,爱因斯坦就想,这个重力会不会也不存在?

惯性力本质是什么?:科氏力 第8张

现在,我们知道,爱因斯坦的相对论中,认为引力是空间扭曲的效果。原本空间是一个平整的面,由于质量物体的出现,压弯了这个平整的面。此时,由于原先的空间被压弯,附近的物体就都会有向这个重物运动的趋势,这个就是引力的表现。引力的本质就是空间的扭曲。如上图,较远处,地球上发出的光线沿着平整的空间直线传播,但是靠近太阳处,由于空间扭曲,光线沿着扭曲的空间“直线”传播。

相对论里,从来没有说引力是扭曲的。按照相对论的解释,引力实际上并不存在,只是扭曲的空间引起的一种现象,类似于惯性力是由于加速度引起的一种现象。

3、扭曲的空间上抛物体落回原点为了排除科氏力的影响,假设地球不自转,也假设地球是个理想球形。如下图,由于地球的自重,把空间扭曲了,具体表现为在靠近地球处,距离更近,即地球拉近了原来空间的距离。由于我们假设地球是正圆,因此这种拉近的距离也是均匀的,就像水的波纹,形成一圈圈的同心圆。

惯性力本质是什么?:科氏力 第9张

在地面上垂直上抛物体后,是沿着法线方向运动的,而法线方向并没有被扭曲。因此,小球还是回到原点。实际上,在这个扭曲的空间中,小球会的运动会遵循最小作用原理,沿着最“省力”的路径运动。

4、总结由于地球的自转,和空气阻力,上抛的物体会受到科氏力的影响,落点偏右。

引力扭曲的说法并不存在,只有空间有扭曲。

忽略科氏力,那么扭曲的空间不会让上抛的小球偏离。

赤道上运动的物体所受科氏力为什么为零?:科氏力

不知道诸位网友发现没有,在我国南北走向的河流,不管是自北向南,还是自南向北,如果没有坚硬的石头山体或坚硬的河槽作为保护,整条河流会往慢慢地往右移动。譬如,黄河瀑布在悄无声息地蚕食着陕西省一侧的沿岸,给山西省一侧留下越来越宽的滩涂。

惯性力本质是什么?:科氏力 第10张

黄河壶口瀑布

十九世纪三十年代法国科学家科里奥利在周游世界的过程中也发现了这么一个奇怪的现象,数年前他游历过的河流都改变了原来的位置,地球北半球的河流或多或少地移向了右方,南半球的河流或多或少地移向了左方。他觉得如此地具有规律性,不应当是一个又一个的巧合,而是受到了一种力的作用。他推导出了这种力的原理与大小(这里作为科普知识,就不介绍这种力的推导与具体的数值计算了)。人们为了纪念他的贡献,将这种力命名为科里奥利力(Coriolis force),简称为科氏力,也译作哥里奥利力。科氏力出现于旋转体系中作直线运动的质点上,由于惯性的作用,它的直线方向的运动会受到一种力的干扰。

惯性力本质是什么?:科氏力 第11张

贾斯帕•古斯塔夫•科里奥利

具体到地球表面来说,由于科里奥利力的作用,在地球北半球不仅河流对于右侧河床的冲刷力更大,大气流动也会向右偏转;同样道理,在地球南半球不仅河流对于左侧河床的冲刷力更大,大气流动(信风)也会向左偏转。至于既非北半球,又非南半球的的赤道上,自然既不向右偏移,也不向左偏移,即科氏力为零。这就是科普性地回答本提问所提出的在赤道上科氏力为零的原因。

惯性力本质是什么?:科氏力 第12张

科里奥利力作用下不同季节的地球表面信风方向图

热带气旋(北太平洋上出现的称为台风)的形成受到科里奥利力的影响。驱动热带气旋运动的原动力是由于存在一个低气压中心与周围大气的压力差,周围大气中的空气在压力差的驱动下向低气压中心定向移动,这种移动受到科里奥利力的影响而发生偏转,从而形成旋转的气流,这种旋转在北半球沿着逆时针方向(这就是我国夏秋季出现在东南沿海地区的所有台风的旋转),而在南半球则沿着顺时针方向。而且由于旋转的作用,低气压中心可以得以长时间保持。

惯性力本质是什么?:科氏力 第13张

科里奥利力使得西太平洋地区产生的台风按照逆时针方向旋转

考虑科里奥利力,一个物体不计空气阻力地从赤道上空100m处自由落下,落点向哪偏?:科氏力

1、科氏加速度定义式如下:

惯性力本质是什么?:科氏力 第14张

即,科氏加速度与牵连角速度和相对速度有关。如果两者之一为零,则不产生科氏加速度。如果两者平行,也不产生科氏加速度。

2、科氏力

惯性力本质是什么?:科氏力 第15张

科氏力定义:

F=-mac

即,科氏力与质量和科氏加速度有关,方向与科氏加速度相反。这个力是一种假想的虚拟力,与惯性力一样,实际并不存在。

3、科氏加速度的方向为了解决题主的问题,实际上归结为确定科氏加速度方向的问题。通过定义式,科氏加速度是牵连角速度与相对速度的叉乘,遵循叉乘的规则。

惯性力本质是什么?:科氏力 第16张

4、落点的判定通过前面的基本知识,就可以判断落点的位置。在本问题中,地球是动坐标系,太阳是定坐标系,地球上的点是动点。

先看下图,假设一物体从南向北,即相对速度Vr方向已知。地球始终自西向东旋转,可以判断出旋转角速度的矢量方向向上。这两个矢量的叉乘,就得到图示向西的科氏加速度,从而科氏力向东。

惯性力本质是什么?:科氏力 第17张

对于自由落体的物体,地球的牵连角速度方向不变,始终向上。为了说明问题,看下图。地球自西向东,此图的角速度矢量方向是出屏幕方向。而自由落体速度向下。由此,叉乘出科氏加速度向右,从而科氏力向左。

惯性力本质是什么?:科氏力 第18张

总结:落点偏东。

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