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在地球旋转参照系的流体运动方程中,离心力是如何确定的?

在我的一个气象学脚本中,地球自转参考系中动量守恒的方程是:

在这里输入图像描述

明显的力是橙色的,其他的是清晰的。

我想知道为什么没有离心力,然而,旋转系统中的表观力应该是科里奥利力和离心力的和。

为了进一步了解这些方程的推导,我仔细研究了这个视频:https://www.youtube.com/watch?v=nljud2UiWUk&list=PL_cuIb7hx5lg_zHfUVsUrw6I66U4jq8Dq

最后,方程式被写下来:

在这里输入图像描述

首先,我对存在“曲率”力感到惊讶:在我看来,它们不是别的,而是离心力,但通常在旋转系统中看到的总加速度a'被写成

$$ vec a' = -\vec \omega \times \left(\vec \omega \times \vec r' \right) - 2 \cdot \vec \omega \times \vec v' \tag{1}$$

第一项通常称为“离心力”,而右边的项是科里奥利力。但是当我考虑在赤道上以(纬向)速度u(沿东方)运动时,径向z方向的总离心力将是

$ $ a_z = \压裂{(u + \ωR) ^ 2} {R} = \ u ^ω^ 2 R + 2 / R + 2 \ω\ cdot u \标记{2}$ $

因为总切向速度是地球自转和纬向速度的和。

现在我想知道,从(1)式中导出的二次项在哪里。我只看到(1)中产生的第一项和第三项,而没有看到中间项……

这似乎有点,我所谓的“离心力”的u,v,w驱动部分被吸收到科里奥利力中,当我们谈论离心力时,只考虑它的静态部分(u=v=0)。

然而,在这种情况下,仍然缺少一件事:当u=v=w=0时,我们在地球的参照系中有一个静止的点。在给定的北纬上\φ美元显然有一个离心力不只是指向z方向,也有一个指向南方的y分量:

$$F_y = \ ω ^2 R \cos(\) \sin(\)$$

所以我认为这是第二个方程的“静态”部分Dv / dt。美元

然而,在第一张图片(我的脚本)和第二张图片(视频)中都没有这样的分量:所有东西都与u,v,w成比例,没有静态分量。

更糟糕的是,在第一张图(取自我的讲座)中,离心力完全消失了。

最后一个问题:

  1. 二次项如何从(1)中产生?
  2. 第一张图中的离心分量去了哪里?我都快疯了……
  3. 为什么是“曲率力”,而其他地方(在我的物理教科书中)总力只是被分成离心力和科里奥利力?是否有一个新的基本力“曲率”,我之前已经监督过,或者只是一个定义的问题,我们是否将一些数学上产生的分量分配给“科里奥利”或“离心力”?
  4. 有没有可能,离心力只是由于地球自转而产生的“静态”离心力,其他分量沿线性和二次项分布,其中二次项被称为“曲率力”,线性项被称为“科里奥利力”。这里有些东西与我过去在课本上学到的知识不一致。

回答

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6
  • \ begingroup美元 是的,但是当我不在赤道时,离心力就不是相对于地心的径向,而是有一个“离天顶”分量。公式中只有g在z方向(等于。3) - y呢? \ endgroup美元
    - - - - - -MichaelW
    2022年12月8日12:43
  • 2
    \ begingroup美元 @MichaelW如果你使用大地坐标(例如,大地坐标东-北-上)而不是地心坐标(例如,地心东-北-上),你会发现引力加上离心加速度只在大地坐标上。由重力引起的加速度(重力加上离心加速度)与地球的非球面垂直。这本质上是海平面的定义,或者更具体地说,大地水准面。(继续) \ endgroup美元
    - - - - - -大卫Hammen
    2022年12月8日13:04
  • 2
    \ begingroup美元 由于地球的赤道凸起,引力加速度并不完全指向地球的中心,离心加速度是指向远离旋转轴而不是远离地球的中心。然而,两者的矢量和与大地水准面垂直。在数学上,这必须是这样的,因为大地水准面被定义为引力能加上离心能的势能的等势面。我们所说的重力是这个势在大地水准面上的梯度。 \ endgroup美元
    - - - - - -大卫Hammen
    2022年12月8日13:08
  • \ begingroup美元 这意味着地球表面已经适应了这样的情况,离心力和重力的总和总是垂直于表面。考虑到这一点,使上面的方程更加复杂。当我们模拟大气时,是否考虑了与理想球体的偏差,还是忽略了这一点?离天顶离心力也可以忽略,因为它们必须是相同的数量级。 \ endgroup美元
    - - - - - -MichaelW
    2022年12月9日18:05
  • 1
    \ begingroup美元 @MichaelW这意味着地球表面已经适应了这样的情况,离心力和重力的总和总是垂直于表面——这差不多是对的。这个条件叫做流体静力学平衡。直径小于600公里的物体往往看起来像块状的土豆,而较大的物体有足够的自引力使自己达到流体静力平衡。这个断点是土豆半径 \ endgroup美元
    - - - - - -大卫Hammen
    2022年12月10日5:08

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