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离心力 编辑
离心力(centrifugal force)是一种虚拟力,是一种惯性的体现,它使旋转的物体远离它的旋转中心。在牛顿力学里,它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。
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。
百科x混知:图解推头
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”。
相对于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——离心力;
a——向心加速度{a=ω^2*r=(v^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指物体圆周运动的角速度,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)
离心现象
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。”
卫星
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流了。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。
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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