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空氣運動的起動力是什么


空氣運動的起動力是什么

文章插圖
為什么會有風?空氣在什么力量的推動下才發(fā)生運動?這是一個非常復雜的問題,通常有四種力是必考慮的 。這就是:氣壓梯度力、地轉(zhuǎn)偏向力、摩擦力和慣性離心力 。它們對空氣運動,即對風的方向和速度都有作用,風是它們綜合作用的結(jié)果 。
為什么會有風?
氣壓梯度力是由于氣壓分布不均勻,空氣就從氣壓高的地方向氣壓低的地方流動,“水往低處流”,空氣也是這樣 。因為高、低壓差,使得它們之間形成一種力,氣壓差越大,這種力也就越大 。就像物體從樓梯上滾下來,樓梯越高越陡,物體就滾得越快 。所以,這種力稱為氣壓梯度力 。顯然,氣壓梯度力的大小與氣壓梯度成正比,與空氣密度成反比,力的方向是從高壓指向低壓,在大氣溫度為0°,大氣壓力為1013.25百帕的標準溫壓條件下,空氣密度是1.293千克/米 。這時候,如果出現(xiàn)1百帕/赤道度的氣壓梯度,就能產(chǎn)生7×10-4牛頓/千克的氣壓梯度力 。不要小看這個力,只要經(jīng)過一定時間,就能產(chǎn)生很大的速度 。例如,3小時后,就能使風速從零增大到7.6米/秒 。持續(xù)10小時,就會使風速增大到25米/秒 。這就說明,氣壓梯度力是形成風的原動力 。不過在事實上,在空氣開始運動后,會有其他動力來與氣壓梯度力相平衡,以達到空氣的常速運動 。所以,盡管比較小的氣壓梯度,也可以引起很大的風速,而各種力的相互平衡作用,能使風速不可能無限地增大 。
在我們這個地球上,地球自轉(zhuǎn)速度很快,有464米/秒,自轉(zhuǎn)一圈有40074.25公里,以華里計算為80148.50里,真是名符其實的“日行八萬里” 。在這樣高速自轉(zhuǎn)的影響下,不可避免地要影響地球上物體的運動 。在北半球,運動著的物體,常因地球自轉(zhuǎn)作用,產(chǎn)生了使物體在其前進方向往右偏轉(zhuǎn)的力,這個力因地球自轉(zhuǎn)引起,所以稱為地轉(zhuǎn)偏向力 。在南半球,地轉(zhuǎn)偏向力的作用,則使運動著的物體在前進方向往左偏轉(zhuǎn) 。
地轉(zhuǎn)偏向力屬于一種慣性力,是由地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生,所以,只有當物體運動時才能表現(xiàn)出來,而且它的方向永遠垂直于物體運動中的瞬時速度的方向 。地轉(zhuǎn)偏向力只改變物體運動的方向,而不改變物體運動速度的大小 。
產(chǎn)生地轉(zhuǎn)偏向力需要三個條件:一是地球自轉(zhuǎn);二是物體運動;三是物體運動方向和地球自轉(zhuǎn)有交角 。三個條件缺一不可,只有前兩個條件,而無第三個條件,即運動方向與地軸平行時,例如在赤道上的南風和北風,都不會發(fā)生偏轉(zhuǎn),兩極地區(qū)的垂直運動,也不會發(fā)生偏轉(zhuǎn) 。這些條件和特點,對 于我們認識地轉(zhuǎn)偏向力的作用很有好處 。
地球自轉(zhuǎn)的另一個結(jié)果,是物體產(chǎn)生離心力,從物理學可知,離心力永遠是在緯圈平面上,方向是沿著緯圈的曲率半徑從地軸向外,而力的大小與運動物體的線速度的平方成正比,與曲率半徑成反比 。離心力與地轉(zhuǎn)偏向力一樣,都屬于慣性力,只能改變運動的方向,不能改變運動的速度,所以也稱為慣性離心力 。慣性離心力通常比地轉(zhuǎn)偏向力小,但是,右低緯度地區(qū),或空氣運動速度很大,而曲率關系很小時,也可能達到較大的數(shù)值,并可能超過地轉(zhuǎn)偏向力 。
空氣的亂流運動可能在上、下層之間有差異,方向可以不同,速度也可以不一樣,這時就可能產(chǎn)生摩擦,稱為內(nèi)摩擦力,亂流作用越強,內(nèi)摩擦力也就越大 。近地層空氣運動和地表面之間也會產(chǎn)生摩擦力,稱外摩擦力,它是地表面對空氣運動的阻力,方向與空氣運動方向相反,并偏向一邊約35°,大小與空氣運動速度及摩擦系數(shù)成正比 。


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