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什么是离心力?
点击次数:485 发布时间:2020-12-02

在生活之中,我们常常会如此描述:某种东西受到了离心力的作用而被甩出去。比如滚筒洗衣机中的水、转弯车辆中的人、离心机的试剂等等。但当我们试图用牛顿力学去对其进行受力分析是,却发现一个诡异的现象。

例如,在经典的小球绕圆心O作匀速圆周运动体系中,处于体系内的观察者会发现小球与圆心处于一个相对静止的状态。根据牛顿定律,小球没有任何外力施加或所施加的外力之和为零。另有一处在地面上的观察者,则可以看到小球在绕圆心作匀速圆周运动,并由此得出绳子的张力F=离心力=mv^2/r=mw^2*r。两者大小相同,且方向相反。有趣的是,当我们试图用牛顿第三定律去分析这个系统中的力的相互作用关系式是,往往会陷入一座逻辑的迷宫,在体系外观察者视角下,分不清施力源和力的作用对象以及相互作用力之间的关系。

台式低速离心机

小球绕一个圆心O作匀速圆周运动的系统

不同于电磁力和引力,DT5-2低速台式自动平衡离心机的离心力的大小会随着观察者选取的参考系的变化而变化。那么什么是参考系呢?我们知道运动是相对的,观察者判断一个物体是否在运动是需要选取一个比较对象,这个比较对象就是参考系。而参考系分两种,一种是惯性系,另一种是非惯性系。

惯性系顾名思义,就是符合惯性定律的参考系,即物体在其中维持其惯性状态,如果物体不受外力作用或者所受合外力为0,则保持自身运动状态。受主观直觉影响,人们常常把自己周围的环境当作惯性参考系,而非惯性系,就是不符合惯性定律的,相对于惯性系,自身有加速度的参考系。比如上面提到的小球绕圆心做匀速圆周运动的系统。一个简单的办法是,我们可以通过有无惯性力来区分惯性系和非惯性系。那么什么是惯性力呢?

例如,在加速行驶的列车中,车上的小球会自发的加速向车尾运动。此是,车内的观察者注意到小球在加速,在车内却找不到施力源。但从全局来看,小球相对于列车有加速度,列车相对于地面有加速度,这两个加速度大小相同,方向相反。小球的加速度恰好抵消了列车的加速度,使得小球在车内保持了惯性状态。

台式低速离心机

由上面这个例子我们可以看出:在非惯性系中,物体的加速度是源于物体的惯性,或者说物体自身质量对于非惯性系加速度的抗性;也就是在惯性系中,惯性质量对于自身加速度的抗性。更形象的说,惯性实际上是物体自身的惰性,总是在阻止自身运动变化的发生。

因此,在非惯性系中,物体加速的施力源就是惯性质量,所以这个力(在上述例子中的F*)被称为惯性力。并且根据上面的描述,惯性质量越大,处于非惯性系中的物体所受的惯性力也就会越大。同理在小球绕圆心做匀速圆周运动的系统中,我们发现小球所受的离心力F也有这样的特性,因此离心力也是惯性力的一种。

为什么在牛顿力学中,惯性力又被认为是虚拟力呢?

在宏观上,因为非惯性系的受力和加速度是真实的,惯性力的效果是真实存在的。但同是,惯性力产生的源头并不是由于物体的相互作用,而是来自物体固有的惯性属性,所以看起来不像引力、电磁力一样能找到施力源。另外,惯性力的效果就像是参考系本身的运动,由于惯性质量的存在,对其内部事物产生影响的体现。从定量的角度来说,为了使牛顿第二定律仍然能够用于描述非惯性系中的运动,平衡非惯性系受到的真实力,引入了一系列虚拟力,包括科里奥利力,离心力和欧拉力。在宏观低速的条件下,使用等效原理来抵消非惯性系影响,可以帮助我们分析离心现象并加以应用。比如可以分开比重不同的固体或液体的离心机,它们广泛应用在工业、农业和科学研究等方面,从选矿、选种,到从牛乳中分出奶油,甚至是分离铀同位素、测定高分子溶胶中分子量。

台式医用低速离心机DT5-2

在生活中,一个非常经典的例子就是大家从小都熟悉的棉花糖机。机器的中心部位是一个温度很高的加热腔,蔗糖被加入后会变成糖浆。加热腔壁上有一些尺寸小于蔗糖颗粒的孔。当糖浆在加热腔中高速旋转的时候,就会随着离心现象从小孔中被抛出到棉花糖机大碗的周围,再凝固成固态的糖丝,在更进一步发展中,人们开始结合流体力学与离心力的研究成果,通过人为制造气压差,将需要分离的含杂质的流动相,送入气旋内。质量较大的颗粒被抛向外围并与容器内壁激烈碰撞,并掉落到底部,小质量的颗粒则顺着中心上升的气流离开容器。上海京工长期销售各种实验室仪器,其中也包含进口品牌仪器,比如IKA磁力搅拌器、IKA分散机。

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