離心力

離心力

離心力是一種虛擬力,是一種慣性力,它使旋轉的物體遠離它的旋轉中心。在牛頓力學裏,離心力曾被用于表述兩個不同的概念:在一個非慣性參考系下觀測到的一種慣性力,向心力的平衡。在拉格朗日力學下,離心力有時被用來描述在某個廣義坐標下的廣義力。

在通常語境下,離心力並不是真實存在的力。它的作用隻是為了在旋轉參考系(非慣性參考系)下,牛頓運動定律依然能夠使用。在慣性參考系下是沒有離心力的,在非慣性參考系下(如旋轉參考系)才需要有慣性力,否則牛頓運動定律不能使用。

想象一個圍繞中心旋轉的圓盤,角速度為ω。在圓盤上有一個質量為m木塊,木塊由繩子連線,繩子的另一端固定在圓盤的中心(也是旋轉中心),繩長為r。木塊隨圓盤一同轉動,假設沒有任何摩擦力,木塊的旋轉是由于繩子的拉力。在隨圓盤一同轉動的觀察者看來,木塊是靜止的。根據牛頓定律,木塊受到的合力應為零。但是木塊隻受到一個力,就是繩子的拉力,所以合力不為零。那麽這違反牛頓定律嗎?牛頓定律隻有在慣性系下才成立,但是隨圓盤一同轉動的觀察者所在的參考系是非慣性系,所以牛頓定律在這裏不成立。為了使牛頓定律在非慣性系下仍然成立,那麽就需要引用一個慣性力,即離心力。離心力的大小為 ,與繩子提供的拉力相等,但方向與之相反。引入離心力後,在隨圓盤一同轉動的觀察者看來,木塊同時受到繩子的拉力和離心力,大小相等,方向相反,合力為零。此時木塊靜止,牛頓定律成立。

  • 中文名稱
    離心力
  • 外文名稱
    centrifugal force
  • 公    式
    F=a*m
  • 現    象
    離心運動

​離心運動

離心運動是指物體有遠離中心運動的現象。美國濃縮鈾廠的離心機就是利用離心運動提煉核子原料。

當物體在做非直線運動時(非牛頓環境,例如:圓周運動或轉彎運動),因物體一定有本身的質量存在,質量造成的慣性會強迫物體繼續朝著運動軌跡的切線方向(原來那一瞬間前進的直線方向)前進,而非順著接下來轉彎過去的方向走。

若這個在做非直線運動的物體(例如:車)上有乘客的話,乘客由于同樣隨著車子做轉彎運動,會受到車子向乘客提供的向心力,但是若以乘客為參照系,由于該參照系為非慣性系,他會受到與他相對靜止的車子給他的一個指向圓心的向心力作用,但同時他也會給車子一個反向等大,由圓心指向外的力,就好像沒有車子他就要被甩出去一樣,這個力就是所謂的離心力。

由于處于非慣性系中,此狀況下物體所感受的力並非真實,所以有些說法會稱這種現象為“離心力”。

相對轉動的非慣性系中的物體,所受離心力為F= mω^2r(其中ω表示非慣性系自身轉動的角速度)。需要註意的是,該離心力方向為沿半徑背離圓心

離心力

離心現象

離心力(Centrifugal force)是一種慣性的表現,實際是不存在的。為使物體做圓周運動,物體需要受到一個指向圓心的力--即向心力。若以此物體為原點建立坐標,看起來就好像有一股與向心力大小相同方向相反的力,使物體向遠離圓周運動圓心的方向運動。(當物體受力不足以提供圓周運動所需向心力時,看起來就好像離心力大于向心力了,物體會做遠離圓心的運動,這種現象叫做“離心現象”。)

假設若離心力存在,則與向心力相平衡,物體受力平衡,速度方向不會改變,是平衡態,不可能做圓周運動,所以證明離心力並不存在,即離心力是以力的作用效果來命名的。

註意:離心力作為慣性力實際上是不存在的,偉大的科學家笛卡爾在其“旋渦說”理論中就有此誤。故以下說法錯誤--“當物體作圓周運動時,在其軌道切線方向上所受到了切向力,有一股分力作用在離心方向,因此稱為離心力。”

物理套用

在天體上,衛星在主星邊緣做慣性運動,由于主星的引力束縛了衛星,使衛星做圓周公轉,如果衛星的慣性運動力(速度)大于主星的引力束縛力,那衛星便遠離中心一些。在地球上,物體在不動的中心邊緣做慣性運動,由于物體的結合力束縛物體,使物體做圓周旋轉,如果物體的慣性運動力(速度)大于物體的結合力,那慣性運動的物體便遠離中心而去。由于水和氣體的結合力很低,它們都會離中心而去。結合力高的金屬則不會離心而去。

離心力

離心力,由于做周圓運動的物體運動的方向或速度發生改變而產生的。是慣性力!我們知道一個物體搭一物體前進,這時兩物體速度相同,被搭乘物體由于被搭乘,慣性向前移動。物體突然改變方向,被搭乘物體還會慣性前進,由于方向的改變產生離心力。

現象的辨析

現將慣性離心力和離心力概念簡單解釋一下:

我們通常是以地面做參考系,可構想地面是靜止的,或者在不太長的距離中把地面運動視為勻速直線運動,即慣性參考系,牛頓就是在這樣的前提下才總結出了運動定律。如果參考系是變速的,即非慣性參考系,牛頓定律就不能直接套用了,因此人們假想出了“慣性”來解決牛頓定律的套用問題。慣性離心力是非慣性系中的假想力。下面舉勻速圓周運動例子:

勻速圓周運動的線速度方向時刻變化,說明有向心加速度,而向心加速度方向也時刻變化,這是個典型的非慣性系。如果有個大轉盤在作勻速圓周運動,你坐到盤上不要看周圍景物,此時就把自己置身于非慣性系了,你肯定會感覺到有某種力量想把自己推下來,而此時又沒有任何施力物推你,這種力量就稱為慣性離心力。

最後提醒一點,所謂"慣性力"隻存在于非慣性系,是一種虛擬力,是為了將牛頓定律推廣到非慣性系上使用而虛擬的一種力,在加上這樣的虛擬力後除了牛頓第三定律外,牛頓力學中的各種定律、定理在非慣性系上都可以得以運用。

套用

一、流星錘

流星錘,是一種將金屬錘頭系于長繩一端或兩端製成的軟兵器,亦屬索系暗器類。僅系一錘者,繩長約五米,稱"單流星";系兩個錘者,繩長為四尺半,稱"雙流星"。其錘有瓜形、多棱形、渾圓形等,大小如鴨卵。錘身末端有象鼻眼,用于串連環。現代武術運動中演練雙流星,主要握持繩索中段,進行立舞花、提撩花、單手花、胸背花、纏腰繞脖、拋接等花法練習,其花法同棍花和大刀花。

二、茶葉悖論

茶葉悖論描述的現象是茶葉在茶杯中的茶當被攪動後,茶葉回遊到杯底的中央,而非預想的在螺線型離心力作用下被推動到杯底的邊緣。最初的解釋來自于阿爾伯特·愛因斯坦1926年一篇用于解釋河岸侵蝕問題(拜爾定律)的論文。攪動液體使其在杯中旋轉,產生向外的離心力。

然而,靠近底部外側的液體由于于杯壁的摩擦減慢旋轉,那裏的離心力減弱從而使得壓差對水流的作用大于離心力。這就是被稱為邊界層或更確切為埃克曼層

由于離心力,沿邊緣的作用力大于中間。如果全部的液體作為一個固體旋轉,內部的向心力與外部(向心力)與轉速關聯,所以就沒有向內或向外的運動。

在一個茶杯中,旋轉在底部較慢,壓力坡度產生並隨之產生沿底度的向內的波流。向上一些,液體流向外側。這個第二波流沿底部向內流從而把邊緣外部的茶葉聚集到中央。由于茶葉的重量無法上升,所以它們停留在底部中心。結合第一旋轉波流的作用,這些茶葉將沿底部向內螺旋。    

相關詞條

相關搜尋

其它詞條