離心力是長期以來被人們誤解而產生的一種假想力,即慣性。因為無法找出施力物體,背離了牛頓第三定律。當物體做圓周運動時,類似於有一股力作用在離心方向,因此稱為離心力。當物體進行圓周運動,即並非直線運動,亦即物體於非牛頓環境下運動,物體所感受的力並非真實。
我們知道接觸力都是由於分子間作用力宏觀的體現,若在做勻速直線運動的物體受到大小不變方向時刻改變的向心力(實際存在的力,力方向指向圓心),就會時刻扭轉物體的運動方向,這時物體就不是做勻速運動了,而是曲線運動(圓周運動是特例),受向心力作用的物體內分子也並不保持相對彼此近似靜止了,而是由於向心力起初作用物體內的那一小塊分子群的後面拉著一連串的分子,而且這個向心力時刻改變,物體內這一連串分子的運動狀態也要時刻改變(分子改變運動狀態是靠分子間距離的改變從而改變分子間作用力)。
而晚改變狀態的分子會因為早改變狀態的分子的分子間相互作用力而跟著改變運動狀態,而恰恰是這個分子間延遲效果,把物體內的拉伸力體現為了外在的離心力,這才是離心力的實質,但是用牛頓定律從整體解釋的話是不合理的,所以衍生出離心力。
離心力之所以在物體受到向心力時才「產生」也是這個道理,但向心力一消失,離心力也會馬上由於分子間收縮效用而消失。
在天體上,衛星在主星邊緣做慣性運動,由於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)大於主星的引力束縛力,那衛星便逐漸遠離中心。
在地球上,物體在不動的中心邊緣做慣性運動,由於物體的結合力束縛著物體,使物體做圓周旋轉,如果物體的慣性運動力(速度)大於物體的結合力,那麼慣性運動的物體便遠離中心而去。由於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。
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,可設想地面是靜止的,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應用了,因此人們假想出了「慣性力」來解決牛頓定律的應用問題。慣性離心力是非慣性系中的假想力。
下面舉勻速圓周運動的例子:
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,我們坐到盤上不要看周圍景物,此時就把自己置身於非慣性系了,我們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我們,這種力量就稱為慣性離心力。
最後提醒一點,所謂「慣性力」存在於非慣性系,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運用。
在我們的生活中,離心力原理的運用也是十分廣泛的,比如我們平時洗衣服用的甩幹機就是利用了離心力的原理。讓衣物在甩桶內,與連接電動機的甩桶一起高速運動旋轉,利用物體在高速旋轉時的離心力作用,使衣物中的水分離開衣物。此外,過山車、旋轉鞦韆等都是利用了離心力的原理製作而成的。
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