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浅谈地球自转产生的“地转偏向力”对远距离射击及其他军事方面的影响

阅读量:3862904 2019-10-28



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地球自转产生的偏向力简称地转偏向力,研究发现,地面上作水平运动的物体(气体、液体和固体),它只有在物体运动的时候才会产生(静止时不存在)。除赤道外,在地球自转的影响下其运动方向都会发生偏转:北半球向右偏,南半球向左偏,并且地球自转偏向力由赤道向南北两极递增,在赤道上最小(无偏向),南北两极最大。
2006年8月24日,在捷克首都布拉格举行的国际天文联合会大会将太阳系九大行星之一的冥王星降级为“矮行星”,太阳系“九大行星”也就变为了“八大行星”。实际上许多我们已经淡忘了的天文物理知识,不仅无时无刻地影响着我们的日常生活,甚至还在军事活动中成为了决定成败的因素。现在就让我们从“地球自转”现象来看看天文物理对军事活动的影响。

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  导弹发射为何“东远西近”?
  如果同样的导弹由西向东发射,导弹实际飞行的最大距离与其设计最大射程是否一致?答案有三个:一是射程近了,二是射程一致,三是射程远了。究竟哪个是正确的呢?
  选择第一个答案的人显然缺乏中学物理知识,因为我们从物理课中就知道,在一个惯性系统内的物体之间是相对静止的,就好像我们在高速匀速行驶的列车上垂直向上跳起落下后,又回到了起跳点,或者我们在地面上最远能跳1.4米,在高速匀速行驶的列车上无论向前还是向后,都只会跳出1.4米。从这点看,似乎第二个答案是正确的,但选择这一答案的人只掌握了基本的物理知识,而缺乏一些地球物理和导弹技术知识。

  我们知道,地球是一个绕地轴自西向东旋转的球体,而地球表面上从两极到赤道的各点距地轴的距离是逐渐增大的,由于地球是整体旋转运动的,因此地球表面上从两极到赤道的各点的运动速度是从小到大的,也就是越靠近地轴的点的运动速度越慢,反之则快。如果我们知道地球的半径和某点的纬度,按照24小时旋转1周的速度,就可以计算出地球上每一点的旋转速度。例如厄瓜多尔的首都基多就比美国的纽约每小时快402千米。

  那么,摩天大楼楼顶与地轴的距离比楼底与地轴的距离长出了摩天大楼的大致高度。也就是说摩天大楼楼顶的运转速度要大于楼底。如果从摩天大楼楼顶自由投放一个小球,由于楼顶比楼底具有较大的向东运转速度(地球自西向东自转),因此小球在到达地面时就会向东偏出些许。例如,在北京让物体从60米高度(相当于20多层楼)自由落地时,要向东偏出0.78厘米,而纬度相对北京低的南京要向东偏出0.86厘米。

  弹道导弹发射前已经计算好了飞行弹道,其飞行弹道基本可以分为主动段和被动段,主动段虽然只占到全飞行过程的约5%,但是却决定了被动段弹道的形状和远近等。如果主动段终点的速度增加一倍,射程就可以增加数倍。最早的德国V-2导弹的飞行程序是:开始垂直起飞,3秒后导弹开始朝向目标方向转弯,当导弹的飞行倾角达到接近45°和飞行速度为1.6千米/秒时,由飞行控制系统关闭火箭发动机,这样就结束了主动段飞行。这时的导弹实际开始作抛物运动,这就类似从大楼上抛出物体。因此导弹向东飞行要比向西飞行远。也许你会说,这一偏移很小可以忽略不计,但如果按照前面提到的北京的偏移量,远程弹道导弹的偏移可以达到200余米,这在导弹发射中是无法忽略的误差,因此在发射前的诸元计算中都会依照目标方向将这一偏差考虑进去。
  

  炮弹为何向右偏?
  1982年英国和阿根廷在南半球的阿根廷南部的大西洋马尔维纳斯群岛(又名福克兰群岛)进行了著名的马岛战争。这场战争成为了新时代海战的样板,但鲜为人知的是这场战争中,英国海军炮手却犯了一个上世纪初就曾犯过的错误。早在第一次世界大战期间,英国和德国就在马岛附近进行了一场海战。大家知道,海战中的目标基本都是点状的,因此炮火精度要求比陆上要高得多,但奇怪的是经过严格训练的英舰炮手发射的炮弹经常落在德舰的左方而不能命中。这究竟是为什么呢?

  要弄清这个问题,还要从大约150年前的一个科学实验说起。1851年,法国科学家傅科做了一个著名的实验。他从巴黎国葬院的穹顶上悬挂了一根67米长的绳索,下面吊着一个28千克重的摆锤。随着每一次摆动,地上巨大的沙盘便留下摆锤运动的痕迹。令观摩者们相顾惊诧的事情发生了。这只大摆没有始终按一条直线来回往复,而是经过一段时间后,摆动的方向偏转了很大的角度。傅科宣布说:“我们看到了地球的转动。”
  实际上,地球上一切物体都会随着地球自转产生垂直于地轴的一定惯性力,最早提出并用数学证明这一现象存在的是法国科学家科里奥利(1792~1843年),因此这一力又被称为科氏惯性力。这里需要注意的是,这种力的方向与地球自转轴垂直,而地球上物体所受重力则直指地心。也就是说这两个力之间存在一定夹角,在赤道上夹角为0°,而在南北极的夹角均为90°。我们知道,地球表面的所有物体均沿纬线方向随地球自西向东旋转运动,因此其都受到科氏惯性力的作用,科氏惯性力在经过该物体所处点的纬线面上。在北半球,该力在物体所受重力线和随地球自转运动方向的右方向,因此,北半球的物体都受到向右的偏转力,也就是有向右偏转的趋势。而在南半球则表现为向左的趋势。这种趋势在两极最大,在赤道为0。

还有就是远距离射击考虑的地球自转对精度的影响:科里奥力的源头就是在匀速圆周运动的体系下(地球),越往外走(半径加大)切向速度越大,会感觉被加速;同理往里走会感觉被减速。

假设枪手在某纬度向正南/正北开枪(东/西向都不受科里奥力影响),忽略空气阻力,科里奥力造成子弹偏移的公式是:D = (2π * Vb * Sin(θ)* t^2)/TD 是子弹位移Vb 是子弹速度θ是子弹方向和地球自转轴形成的夹角(可以当成是纬度)T是地球自转周期(1天等于86400秒)t是子弹飞行时间拿个简单例子,在北纬45度,子弹初速1000m/s:目标距离1km的话子弹偏离目标5厘米(这个不仅与射击时的纬度有关,也与你的射击方向有关。对于中口径狙击枪,纬度45度时1000米最大 约有10厘米!),如果目标距离2km的话就会偏离20厘米,要爆头的话就要注意了。向南开枪的会看到子弹向右飘,向北相反(因为地球自转是西向东转)。

  由于地球上的物体都在同一惯性系统内,都受到这种力的作用,因此由地球自转引起的弹着点偏差与射击的方向角无关,即不管向哪个方向发射炮弹,只要速度和射程相同,弹着点的右偏(北半球)或左偏(南半球)都是一样的。为消除落点的偏差,发射方向应略微向左(北半球)或向右(南半球)调整,并反映在火炮的射表或瞄准具中,以保证弹着点正确。
  那么,前面提到的英国舰炮手总是射偏,是不是舰炮瞄准具的设计者忘了考虑科氏力?其实设计者完全了解科氏力的作用,只不过他们假设海战是在英国本土(北纬50°)进行,因而作了向左的校正。而马尔维纳斯群岛位于南半球(约南纬50°),设计者没有把校正的方向告诉那些不懂科氏力的炮手,结果产生了双倍的向左误差。而在60多年后的马岛战争中,英国舰炮手再次犯下了同样的错误,遭到了同行的嘲笑。

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