作用于空气水平运动的力

作用于空气水平运动的力

2016-11-10 作者: xuzhiping 浏览: 10252 次

摘要: 空气运动是由于空气微团受力而产生的。空气的水平运动是空气微团在水平方向上受力的结果。空气在水平方向上受的力有:由于气压在水平方向上分布不均而产生的水平气压梯度力;空气运动时,由于地球自转而产生的水平地转偏向力;地面与空气之间以及空气层与空气层之间作相对运动时,...

空气运动是由于空气微团受力而产生的。空气的水平运动是空气微团在水平方向上受力的结果。空气在水平方向上受的力有:由于气压在水平方向上分布不均而产生的水平气压梯度力;空气运动时,由于地球自转而产生的水平地转偏向力;地面与空气之间以及空气层与空气层之间作相对运动时,所产生的摩擦力;空气做曲线运动时,所受到的惯性离心力。这些力之间互相联系,又互相制约。

(一)水平气压梯度力(Gn)

当水平方向上气压分布不均匀时,就产生了水平气压梯度。水平气压梯度是指在垂直于等压线的方向上,由高压指向低压,单位距离内气压的改变值。水平气压梯度表示水平方向上气压分布的不均匀程度,我们讨论空气的水平运动时,通常取单位质量的空气作为对象,并把在水平气压梯度存在时,单位质量空气在水平方向上所受的力,称为水平气压梯度力,记作Gn。

(二)水平地球偏向力(A)

如果空气只受水平气压梯度力的作用,则风应沿着水平气压梯度力的方向从高压吹向低压,并且风速不断加大,而实际上风向往往基本上是和等压线平行的,风速也不是无限加大的。

这是因为在转动的地球上,空气除了受到水平气压梯度力的作用外,还受到地球的自转所造成的水平地转偏向力的作用(如图)。如有一圆盘绕通过中心O的垂直轴做逆时针方向旋转。旋转的角速度w,有一小球以速度v自中心〇向OB方向运动时,站在圆盘外B点观察的人看来,小球是以直线运动向他滚来,而站在圆盘A点上的人看来,小球同时参加了两运动:一种是以速度v的直线运动,另一种是跟圆盘的转动。当小球向OB方向滚到圆盘边缘时,站在圆盘上的人已由A点随圆盘的转动移到了A‘点的位置上,小球并没有向圆盘上的人滚来,而是向右偏到A的位置上了,如图中虚线所示。这就是由于圆盘的转动而产生的偏向力。

(三)惯性离心力(C)

当空气做曲线运动时,转动系统内的观察者看来,在曲线轨道上运动的空气质点,时刻受到一离开曲率中心向外力的作用,这个力是空气质点为保持惯性方向运动而产生的,叫做惯性离心力。惯性离心力的方向与空气运动方向相垂直,由曲率中心指向外缘。它的大小与空气运动速度的平方成正比,与曲率半径成反比。若惯性离心力用C表示,则质量为m的物体所受的惯性离心力为

\(C=m \times \frac {v^2}{r}\)

惯性离心力和地转偏向力一样,都不是一个实际存在的力,它只是在转动系统内推断出的假想力。它只改变空气运动的方向,不改变运动的大小。

(四)摩擦力(R)

空气层之间、空气与地面之间由于受到摩擦力的作用,使风速减小。摩擦力的方向与空气运动方向相反,大小与空气相对于摩擦层次的速度成正比。表示为

\(R=-kmV\)

摩擦力的作用在大气各个不同高度上是不同的,以近地气层最为显著。高度越高其作用越小,到距地面1~2 km以上,摩擦力作用就很小可忽略不计,所以把此高度以下的气层称为摩擦层,此高度以上的称为自由大气层

以上四种力是作用于空气水平运动的力。它们对空气水平运动的影响是不同的,一般来说,水平气压梯度力是最主要最基本的作用力,是空气产生水平运动的原始动力,没有水平气压梯度力,不仅不能产生水平运动,而且也不可能产生其他几个力。其他的力则要根据具体情况做具体分析,如讨论低纬度的空气运动时,有时可以忽略地转偏向力;空气运动接近于直线时,惯性离心力则可忽略不计;讨论自由大气中的空气运动时,一般就不考虑摩擦力的影响了,这些力之间的不同结合,构成了不同形式的水平运动。

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