旋转地球参考系中科里奥利力及其表达-DNA螺旋成因
旋转地球参考系中科里奥利力及其表达-DNA螺旋成因
导读：科里奥利力是地球旋转参考系中一种重要的惯性力，它影响着从大气运动到生物分子结构的方方面面。本文将为您揭示这种神秘力量如何塑造了我们周围的世界。
在地球引力束缚下，地球内外部和近地空间内物质伴随地球旋转。科里奥利力作用于旋转地球参考系中运动的任一物体，使其运动方向发生偏转。科里奥利力使流体运动中，攀援植物的藤蔓丝生长中，以及超分子自组装生长延伸中产生螺旋。超分子包括蛋白质，DNA及纳米晶体。攀援植物的藤蔓丝和天然的自组装超分子的螺旋度，与纬度正相关。在地球北半球自然界生物系统中只存在右旋DNA而无左旋DNA，除非人工合成。而在地球南半球自然界生物系统中只存在左旋DNA而无右旋DNA，除非人工合成。同理，在北半球自然生成的纳米晶体，只有右旋而无左旋，除非人工合成。
科里奥利力的物理原理
在牛顿力学中，物体在惯性参考系中的运动方程为：
[ F = m\ddot{r} ]
在这里 (F) 是作用于物体的物理力的矢量和，(m) 是物体的质量，(\ddot{r}) 是物体相对于惯性参考系的加速度。将此方程变换为以角速度 (\omega) 绕原点旋转的固定轴的参考系，方程的形式为：
[ F' = m\ddot{r}' = F - 2m\vec{\omega} \times \dot{r}' - m\vec{\omega} \times (\vec{\omega} \times r') ]
其中撇号(') 变量表示在旋转参考系中的量（不是导数），并且
- (F) 是在惯性参考系中作用于物体的物理力的矢量和；
- (\vec{\omega}) 是旋转参考系相对于惯性系的角速度；
- (r') 是物体相对于旋转参考系的位置矢量；
- (\dot{r}') 是物体相对于旋转参考系的速度；
- (\ddot{r}') 是物体相对于旋转参考系的加速度。
在旋转参考系中感知到的虚拟力就像真实的外力一样，起到了增加视加速度的附加力的作用。该方程的虚拟力从左到右依次为：欧拉力；科里奥利力；离心力。
科里奥利力存在于旋转参考系中。科里奥利力，取决于物体相对旋转参考系的速度。对于非旋转的惯性参考系，(\omega=0)，科里奥利力和所有其它虚拟力不存在。
考虑一个绕南北轴旋转的球体上纬度为 (\phi) 的位置。建立一个局部坐标系，其中 x 轴水平正东，y 轴水平正北，z 轴垂直向上，如图1所示。科里奥利力与 (\Omega=\omega(0, \cos\phi, \sin\phi)) 正相关，(f = 2\omega\sin\phi)，这里 (\omega) 是旋转参考系的角速度，(\phi) 是纬度。
科里奥利力的具体表现
流体运动中的螺旋
在旋转地球参考系中，流体的运动，在科里奥利力作用下，形成螺旋状态。如图2所示。螺旋度，即单位长度内螺匝数量，与科里奥利因数 (f (f = 2\omega\sin\phi)) 正相关。由于流体的螺旋运动的稳定性与科里奥利因数 (f) 正相关，因此，气旋，包括龙卷风，只能存在于高于纬度5°的区域，在低于纬度5°的区域甚少。而在赤道不存在。
流体（气体，液体，等离子体）的螺旋运动，在地球的北半球右旋，而在南半球左旋。
河流的蜿蜒
在旋转地球参考系中，在科里奥利力作用下，流体运动中呈现螺旋状态。河流是一股大量水的流体在地表上的运动。螺旋运动的河流，由于受到地表的空间限制，在地表上呈蜿蜒状态。
河流的蜿蜒程度，即单位长度内Ω数量，正相关于河流在没受地表限制下的螺旋度。而螺旋度与科里奥利因数 (f(f = 2\omega\sin\phi)) 正相关。因此，河流的蜿蜒程度正相关于纬度 (\phi)。所以，伴随4条河流在北半球的纬度 (\phi) 依次下降，它们的蜿蜒程度依次下降。如图3所示。
物体延伸(包括生长)中的螺旋
在旋转地球参考系中，在科里奥利力作用下，物体延伸（包括生长）运动中呈现螺旋状态。植物的藤、蔓、丝的延伸生长，超分子自组装的延伸生长都呈现螺旋状态。如图4所示。其螺旋度与科里奥利因数 (f(f = 2\omega\sin\phi)) 正相关。 其螺旋状态：在北半球右旋，在南半球左旋，在赤道无旋。因此，北半球自然界生物系统中DNA只能右旋，不存在左旋DNA（Z-DNA），除非人工合成。南半球自然界生物系统中DNA只能左旋，不存在右旋DNA，除非人工合成。所以，在英国剑桥大学（纬度40.83°），罗莎琳德.富兰克林拍摄到了右旋DNA的X射线衍射照片；若她在新西兰大学（纬度-45.36°），会拍摄到左旋DNA的X射线衍射照片；若她在新加坡大学（纬度1.356°），会拍摄到近乎无旋DNA的X射线衍射照片。
超分子包括蛋白质，DNA以及纳米晶体等，自组装生长延伸中产生螺旋，其关键作用力，是科里奥利力。
结论
科里奥利力存在于旋转参考系中。在地球旋转参考系中，由于科里奥利作用，流体的运动，植物的藤蔓丝生长延伸，以及超分子自组装中生长延伸呈现螺旋状态。