Ms.Q 趣味視頻丨楊乃文的歌《離心力》聽得心酸,卻教會我們……

2021-02-21 重慶科技館


Q:什麼離心力

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。在牛頓力學裡,離心力曾被用於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。

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我們假想一個遊戲,非常簡單,一根繩子的端部綁著一個小球,我們用手拿著繩子的另外一端將小球快速旋轉起來。

如下圖所示

當小球越轉越快時,我們可以感覺到手上拉繩子的拉力也越來越大,如果我們一鬆手,小球就會被沿直線甩出去,好象有一個「力」把它拉離圓心,這就是「離心力」。我們明明感受到了「離心力」,但是為什麼說它是虛擬力呢,這還要從牛頓第一定律——慣性定律說起。

慣性定律告訴我們,當物體不受外力或所受外力合力為零的情況下時,要保持靜止或勻速直線運動。這個實驗中,小球並不是靜止或作直線運動,而是不斷旋轉的,需要一個外力來促使它不斷改變運動方向,這個力就來源於繩子。根據慣性定律,當繩子的拉力消失,失去了外力,小球就會沿著直線飛出去。我們將繩子的拉力稱之為向心力,所以所謂的「離心力」,是物體因慣性而「向外飛」的趨勢導致的,並不是真有一個力使物體離心。可見離心力是不存在的。小球旋轉得越快,飛出去的趨勢就越強,一旦繩子因為拉不住而斷開,小球就「離心」而去了。

接下來,我們將小球模型進行拓展,來一個升級版,去掉繩子,將繩子拉力換為萬有引力。該怎麼操作呢,還需要大家發揮想像力。

試想我們用盡全力將小球扔出,結果會怎樣?

小球在萬有引力作用下,在飛過一段美妙的拋物線後,落回地面。

如果我們換個大炮發射這個小球呢?

小球會走過更長一些的弧線再落回地面,如此類推,我們不斷用更快的初始速度去發射小球,小球就會飛得越來越遠。我們知道地球是圓的,如果我們發射的力量足夠大,如用長徵火箭發射,是不是小球正好可以繞地球一圈而永不落地呢。大家可能猜到了,這時候離心力恰好能夠抵消萬有引力,這是完全有可能的!其實我們天上就有這麼一個大石頭靠著離心力的作用而沒有掉在地球上,它就是月亮。

Q:生活中離心力的運用

我們日常生活中有很多現象都利用到了離心力,比如拖地板所用的手壓式拖把、棉花糖的製作、旋轉木馬、運動項目鐵餅等.

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