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离心力(自然学科)

离心力是一种虚拟力,是一种惯性力,它使旋转的物体远离它的旋转中心。在牛顿力学里,离心力曾被用于表述两个不同的概念:在一个非惯性参考系下观测到的一种惯性力,向心力的平衡。在拉格朗日力学下,离心力有时被用来描述在某个广义坐标下的广义力。

在通常语境下,离心力并不是真实存在的力。它的作用只是为了在旋转参考系(非惯性参考系)下,牛顿运动定律依然能够使用。在惯性参考系下是没有离心力的,在非惯性参考系下(如旋转参考系)才需要有惯性力,否则牛顿运动定律不能使用。

想象一个围绕中心旋转的圆盘,角速度为ω。在圆盘上有一个质量为m木块,木块由绳子连接,绳子的另一端固定在圆盘的中心(也是旋转中心),绳长为r。木块随圆盘一同转动,假设没有任何摩擦力,木块的旋转是由于绳子的拉力。在随圆盘一同转动的观察者看来,木块是静止的。根据牛顿定律,木块受到的合力应为零。但是木块只受到一个力,就是绳子的拉力,所以合力不为零。那么这违反牛顿定律吗?牛顿定律只有在惯性系下才成立,但是随圆盘一同转动的观察者所在的参考系是非惯性系,所以牛顿定律在这里不成立。为了使牛顿定律在非惯性系下仍然成立,那么就需要引用一个惯性力,即离心力。离心力的大小为 ,与绳子提供的拉力相等,但方向与之相反。引入离心力后,在随圆盘一同转动的观察者看来,木块同时受到绳子的拉力和离心力,大小相等,方向相反,合力为零。此时木块静止,牛顿定律成立。

离心运动是指物体有远离中心运动的现象。美国浓缩铀厂的离心机就是利用离心运动提炼核子原料。

当物体在做非直线运动时(非牛顿环境,例如:圆周运动或转弯运动),因物体一定有本身的质量存在,质量造成的惯性会强迫物体继续朝着运动轨迹的切线方向(原来那一瞬间前进的直线方向)前进,而非顺着接下来转弯过去的方向走。

若这个在做非直线运动的物体(例如:车)上有乘客的话,乘客由于同样随着车子做转弯运动,会受到车子向乘客提供的向心力,但是若以乘客为参照系,由于该参照系为非惯性系,他会受到与他相对静止的车子给他的一个指向圆心的向心力作用,但同时他也会给车子一个反向等大,由圆心指向外的力,就好像没有车子他就要被甩出去一样,这个力就是所谓的离心力。

由于处于非惯性系中,此状况下物体所感受的力并非真实,所以有些说法会称这种现象为“离心运动”。

相对转动的非惯性系中的物体,所受离心力为F=mω^2r(其中ω表示非惯性系自身转动的角速度)。需要注意的是,该离心力方向为沿半径背离圆心

F=a*m

F离心力;

a向心加速度{a=ω^2*r=(v^2)/r=[4*(π^2)*r/T^2};

m物体质量

(F=a*m本身是牛顿第二定律的公式的应用)

(在上式中ω指物体圆周运动角速度,r指物体圆周运动的半径,T指物体圆周运动的周期,π指圆周率

离心力(Centrifugal force)是一种惯性的表现,实际是不存在的。为使物体做圆周运动,物体需要受到一个指向圆心的力--即向心力。若以此物体为原点建立坐标,看起来就好像有一股与向心力大小相同方向相反的力,使物体向远离圆周运动圆心的方向运动。(当物体受力不足以提供圆周运动所需向心力时,看起来就好像离心力大于向心力了,物体会做远离圆心的运动,这种现象叫做“离心现象”。)

假设若离心力存在,则与向心力相平衡,物体受力平衡,速度方向不会改变,是平衡态,不可能做圆周运动,所以证明离心力并不存在,即离心力是以力的作用效果来命名的。

注意:离心力作为惯性力实际上是不存在的,伟大的科学家、物理学家笛卡尔在其“旋涡说”理论中就有此误。故以下说法错误--“当物体作圆周运动时,在其轨道切线方向上所受到了切向力,有一股分力作用在离心方向,因此称为离心力。”

在天体上,卫星在主星边缘做惯性运动,由于主星的引力束缚了卫星,使卫星做圆周公转,如果卫星的惯性运动力(速度)大于主星的引力束缚力,那卫星便远离中心一些。在地球上,物体在不动的中心边缘做惯性运动,由于物体的结合力束缚物体,使物体做圆周旋转,如果物体的惯性运动力(速度)大于物体的结合力,那惯性运动的物体便远离中心而去。(由于水和气体的结合力很低,它们都会离中心而去。结合力高的金属则不会离心而去)如果“由于水的结合力低,他们会离中心而去”。那么水应该是往天上撒而不是往海拔低的海里留了。

离心力,由于做圆周运动的物体运动的方向或速度发生改变而产生的。是惯性力!我们知道一个物体搭一物体前进,这时两物体速度相同,被搭乘物体由于被搭乘,惯性向前移动。物体突然改变方向,被搭乘物体还会惯性前进,由于运动方向的改变导致合外力改变从而产生离心力。

一、流星锤

流星锤是一种将金属锤头系于长绳一端或两端制成的软兵器,亦属索系暗器类。仅系一锤者,绳长约五米,称"单流星";系两个锤者,绳长为四尺半,称"双流星"。其锤有瓜形、多棱形、浑圆形等,大小如鸭卵。锤身末端有象鼻眼,用于串连环。现代武术运动中演练双流星,主要握持绳索中段,进行立舞花、提撩花、单手花、胸背花、缠腰绕脖、抛接等花法练习,其花法同棍花和大刀花。

二、茶叶悖论

茶叶悖论描述的现象是茶叶在茶杯中的茶当被搅动后,茶叶回游到杯底的中央,而非预想的在螺线型离心力作用下被推动到杯底的边缘。最初的解释来自于阿尔伯特爱因斯坦1926年一篇用于解释河岸侵蚀问题(拜尔定律)的论文。搅动液体使其在杯中旋转,产生向外的离心力。

然而,靠近底部外侧的液体由于于杯壁的摩擦减慢旋转,那里的离心力减弱从而使得压差对水流的作用大于离心力。这就是被称为边界层或更确切为埃克曼层

由于离心力,沿边缘的作用力大于中间。如果全部的液体作为一个固体旋转,内部的向心力与外部(向心力)与转速关联,所以就没有向内或向外的运动。

在一个茶杯中,旋转在底部较慢,压力坡度产生并随之产生沿底度的向内的波流。向上一些,液体流向外侧。这个第二波流沿底部向内流从而把边缘外部的茶叶聚集到中央。由于茶叶的重量无法上升,所以它们停留在底部中心。结合第一旋转波流的作用,这些茶叶将沿底部向内螺旋。

现将惯性离心力和离心力概念简单解释一下:

我们通常是以地面做参考系,可设想地面是静止的,或者在不太长的距离中把地面运动视为匀速直线运动,即惯性参考系,牛顿就是在这样的前提下才总结出了运动定律。如果参考系是变速的,即非惯性参考系,牛顿定律就不能直接应用了,因此人们假想出了“惯性”来解决牛顿定律的应用问题。惯性离心力是非惯性系中的假想力。下面举匀速圆周运动例子:

匀速圆周运动的线速度方向时刻变化,说明有向心加速度,而向心加速度方向也时刻变化,这是个典型的非惯性系。如果有个大转盘在作匀速圆周运动,你坐到盘上不要看周围景物,此时就把自己置身于非惯性系了,你肯定会感觉到有某种力量想把自己推下来,而此时又没有任何施力物推你,这种力量就称为惯性离心力。

最后提醒一点,所谓"惯性力"只存在于非惯性系,是一种虚拟力,是为了将牛顿定律推广到非惯性系上使用而虚拟的一种力,在加上这样的虚拟力后除了牛顿第三定律外,牛顿力学中的各种定律、定理在非惯性系上都可以得以运用。

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