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
科里奥利力是地球自转产生的一种惯性力，它影响着地球上的流体运动、河流形态乃至生物分子的结构。本文将从物理学角度出发，探讨科里奥利力如何塑造了我们周围世界的螺旋之美。
科里奥利力的定义与特性
在牛顿力学中，物体在惯性参考系中的运动方程为：F=ma。但在旋转参考系中，如地球表面，物体的运动方程会变得更加复杂。科里奥利力就是这种复杂性的一个体现，它是一种虚拟力，作用于旋转参考系中运动的物体，使其运动方向发生偏转。
科里奥利力的大小与物体相对旋转参考系的速度成正比，其方向垂直于物体的速度方向和旋转轴的方向。在地球上，科里奥利力的大小与纬度有关，其表达式为：f = 2ωsinφ，其中ω是地球自转的角速度，φ是纬度。
科里奥利力在地球上的表现
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的作用下会形成螺旋状态。这种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，而在赤道则不存在。
流体（气体、液体、等离子体）的螺旋运动在地球的北半球呈现右旋，在南半球呈现左旋。例如，北半球的龙卷风和南半球的龙卷风旋转方向相反。
图2. 流体运动中的螺旋（图片源自网络）
河流的蜿蜒
河流是一股大量水的流体在地表上的运动。在科里奥利力的作用下，河流的蜿蜒程度与纬度正相关。例如，北纬50°27′33″的莫日格勒河蜿蜒程度最高，而北纬21°50′~23°03′的珠江蜿蜒程度最低。
图3. 河流的蜿蜒（图片源自网络）
物体延伸（包括生长）中的螺旋
在旋转地球参考系中，在科里奥利力的作用下，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。其螺旋度与科里奥利因数f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。
图4. 物体延伸（包括生长）中的螺旋（图片源自网络）
科里奥利力与DNA螺旋
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。
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。