科氏力與地球表面的動態現象

科氏力是一種表述物體[1]在旋轉參考系中會因慣性而偏離系統運動軌跡的現象。由法國物理學家科裏奧利於1835年提出。此力最常見的表現形式為地轉偏向力，屬於慣性力[3]。其特點為，北半球空氣流向會受順時針偏向力影響，導致風向右偏；南半球則相反，空氣會被逆時針偏向力向左偏轉。在地球赤道上，由於位於南北半球的分界處，科氏力效果會失效。

科氏力影響了地球上的高壓區和低壓區（如熱帶氣旋）的空氣流向。在北半球，高壓區以順時針方向旋轉、低壓區逆時針旋轉；南半球則相反，高壓區逆時針旋轉，低壓區則是順時鐘方向運轉。然而，由於其效應僅在時間和空間尺度較大時才顯著，因此對於小尺度、短時間的現象，如水槽或馬桶的渦流旋轉方向，其影響微不足道。

當質點相對於旋轉參考系靜止時，無論從該旋轉參考系或慣性參考系來看，都不存在科氏力。然而，若質點相對於旋轉參考系的運動方向與旋轉角速度不平行，就會產生科氏力。

• 慣性運動：質點相對於旋轉參考系進行慣性運動時，雖不會產生科氏力，但從慣性參考系來看，質點會因力作用（來自旋轉物體或其他）而偏離運動軌道；此時，科氏力為實際存在的力。

• 非慣性運動：質點相對於慣性參考系進行慣性運動時，不會產生科氏力，但從旋轉參考系來看，質點會因運動而產生科氏力，此類科氏力屬於虛擬力。

水平方向運動物體所受科氏力大小與質量、運動速度、旋轉角速度成正比。地轉偏向力是科氏力在沿地球表面方向的分力，其方向受平面直角坐標系中叉積規則影響。

由於地球的自轉，地球並非慣性系，而是轉動參考系，因此地面上的物體運動會受到科氏力的影響。地球科學中的地轉偏向力即是科氏力在沿地球表面方向的一個分力。地轉偏向力有助於解釋一些地理現象，如北半球的河流右側因侵蝕較強，而左側多平緩河岸；南半球則相反。此外，包括長程飛彈、颱風氣旋等現象的生成，也與科氏力的作用相關。

從《順時鐘逆時鐘？南北半球的馬桶水流真的不一樣？》文章的例子中，科氏力指的就是在旋轉系統中，直線運動產生的偏轉現象。以下實驗可以清楚説明：

1. 大尺度現象：如長程飛彈或颱風氣旋，由於橫跨的緯度較大，運動方向會呈現拋物線運動，且移動方向的偏移程度會隨著緯度的增加而指數增加。

2. 小尺度現象：如馬桶或水盆的蓄水旋轉現象。由於其尺寸、流速較小，科氏力效應極微弱，因此一般難以憑肉眼觀察。

然而，即使是小尺度現象所產生的科氏力不顯著，但仍有可測量的影響。科學家透過加大蓄水尺寸、排水時間的方式，成功在靜置後的馬桶或水盆中觀測到恆定的逆時針或順時針水流。

因此，無論是影片中北半球的洗臉盆水流會以順時針方向流出，南半球會逆時針流出，抑或是厄瓜多爾基多附近的實驗，在南半球和北半球呈現截然不同的水流旋轉結果，這些現象都不能解釋為科氏力所致。

日常生活中的水流旋轉方向實際上受許多因素影響，如浴缸或馬桶的結構、水流的殘餘效應和水波，其中前者影響最大。即使容器的表面設計完全對稱無瑕，任何微小的表面不均勻性或是水波都會導致水流旋轉方向的改變。

所以，科氏力與地球旋轉速率有關，但其力道十分微弱（由於地球旋轉速率為每天一圈）；相較於馬桶或浴缸裡的水流，其每秒可能旋轉數圈的角速率，科氏力對於水流旋轉方向的影響可以忽略不計。

因此，可以合理地推論，相同的馬桶從北半球搬到南半球，其水流旋轉方向並不會發生改變。

科氏力南北半球差異

科氏力是一種由地球自轉所產生的慣性力，它導致南北半球中的物體運動產生偏向。科氏力南北半球的差異主要在於其偏向方向不同。

偏向方向的差異

如表所示，科氏力在南北半球的偏向方向相反：

半球	偏向方向
北半球	右偏
南半球	左偏

影響的因素

導致科氏力南北半球差異的因素主要有：

• 科裏奧利加速度：科氏力由科裏奧利加速度產生，而科裏奧利加速度的方向與物體運動方向和地球自轉角速度垂直。
• 地球自轉方向：地球在北極點附近自西向東自轉，導致科裏奧利加速度在北半球右偏，在南半球左偏。

影響

科氏力南北半球的差異對以下方面產生影響：

• 氣流和洋流：科氏力影響全球氣流和洋流的流動方向，例如北半球的氣旋逆時針旋轉，而南半球的氣旋順時針旋轉。
• 彈道：發射的飛彈或子彈受到科氏力影響，其彈道會發生偏離。
• 渦流：水流或空氣流過障礙物時形成的渦流方向在南北半球不同。

結論

延伸閲讀…

順時鐘逆時鐘？南北半球的馬桶水流真的不一樣？

真假！南北半球水流漩渦方向一定相反嗎？ – 科技大觀園

科氏力南北半球的差異是由地球自轉方向和科裏奧利加速度引起的。這種差異影響了物體運動的方向，並對氣流、洋流、彈道和渦流產生了重要影響。