對做圓周運動的物體存在離心力的論證

長期以來，人們對作圓周運動物體是否存在離心力，一直是眾說紛蕓，各說各的理，至今沒有一個統(tǒng)一的結(jié)論。多種不同說法中，有兩種相互對立的觀點：一是說沒有離心力，二是說有離心力。此外，還有介于上述兩者之間的、模棱兩可的觀點。

兩種相互對立觀點中說沒有離心力，認(rèn)為從該運動中飛出的物體是以切線方向飛出的，沒有物體對飛出物在半徑線上施加背離圓心的力，故離心力是假想的力、虛擬的力，實際上是不存在的。飛出物離圓心越來越遠(yuǎn)系物體切線方向的運動效果(這是目前中學(xué)物理課本的觀點)。說有離心力的認(rèn)為技術(shù)上離心機(jī)的使用，就是有離心力的結(jié)果。然而持這種觀點的人卻不能解釋該離心力是如何產(chǎn)生的，以致遭到持前一種觀點人的反駁，結(jié)果誰也說服不了對方。

對持上述兩種不同觀點之間的說法很多，而最有代表性的為以下三種：1.離心力是在兩種條件下產(chǎn)生的；是物體的慣性運動和中心束縛力交織在一起產(chǎn)生的。2.圓周運動物體既存在向心力，同時又存在離心力。3.離心力和向心力是同一種力。

在對該命題論證前，對以上三種說法有不同的看法。現(xiàn)提出來與其商榷。

持第一種觀點的說法顯然是把物體的慣性運動作為一個條件，中心束縛力為另一條件，在此前提下產(chǎn)生了離心力。眾所用知，慣性和慣性運動的概念，來源于牛頓第一定律：物體在不受外力的作用下，運動的物體按原來的方向繼續(xù)向前運動(即慣性運動)，靜止的物體則保持原來的靜止?fàn)顟B(tài)。該說法的“中心束縛力”對慣性運動的物體來說，顯然是一種外力的作用，而且是運動質(zhì)點方向不斷變化的運動，故該說法是違背了牛頓第一定律。筆者不能認(rèn)同。

第二種說法無疑是指向心力和離心力同時存在于同一物體。由于這兩個力方向相反并在同一半徑線上，兩力之間的作用是相互抵消的。如果兩力大小相等，其結(jié)果則既沒有離心力，也沒有向心力。如兩力大小不等，其結(jié)果則只有離心力而無向心力，或只有向心力而無離心力。該說法是典型的模棱兩可的說法，筆者亦不能認(rèn)同。

第三種觀點認(rèn)為離心力和向心力是同一種力，則更為錯誤。眾所周知，離心力和向心力的方向是相反的兩個力，其屬性是相互矛盾的。據(jù)邏輯學(xué)“不矛盾律”定律：在同一時間、同一地點、同一條件情況下，對事物不能作出兩個相互矛盾的結(jié)論。故該說法違背了“不矛盾律”，所以筆者也不能認(rèn)同。

對作圓周運動物體是否存在離心力呢?對此，我們可先作一實驗，以便對它作深入的探討。

圖中1、6為轉(zhuǎn)軸4的上、下固定架，2為有小孔的物體，3為金屬棒，4為轉(zhuǎn)軸，5為轉(zhuǎn)盤，7為傳動帶。8為轉(zhuǎn)盤，9為轉(zhuǎn)軸，10為電機(jī)，11為電機(jī)固定架。O為金屬棒3的轉(zhuǎn)動圓心，。為該裝置靜止時物體2所處位置，6為金屬棒末端點。

圖二是物體2(放大的)側(cè)視圖和正視圖。

實驗前，裝置處于靜止?fàn)顟B(tài)，金屬棒處于水平位置，它牢固的安裝在相垂直的轉(zhuǎn)軸4上，物體2通過小孔穿在金屬棒的。位置上，金屬棒與物體2之間摩擦力忽略不計，物體2在外力作用下可自由滑動。金屬棒不計粗細(xì)可視為一條直線，在實驗中物體2亦可視為一質(zhì)點。

實驗時，先把電機(jī)接通電源、電機(jī)即行轉(zhuǎn)動，它通過轉(zhuǎn)軸9帶動轉(zhuǎn)盤8轉(zhuǎn)動，然后通過傳動帶7帶動轉(zhuǎn)盤5，轉(zhuǎn)軸4、金屬棒3、物體2一起作圓周運動。在運動過程中，你可以看到物體2從靠近轉(zhuǎn)軸4的O點處，不斷向金屬棒6端處作偏離圓心的直線運動，最終并脫離金屬棒向外面飛出去。從實驗中可以看出：以圓心O為參照物，以金屬棒3為半徑線，物體2作圓周運動時會產(chǎn)生一個在金屬棒上直線偏離圓心的運動，據(jù)牛頓第二定律“力是物體產(chǎn)生加速度的原因”，物體2的運動是受到作用力的結(jié)果。由此可見，作圓周運動的物體是存在離心力的。金屬棒3作圓周運動時卻不向外面飛出去而物體2卻要飛出去，這是金屬棒3存在離心力的同時還受到向心力的作用，而物體2沒有受到向心力、而只有離心力的作用所產(chǎn)生的結(jié)果。

二、作圓周運動物體的力學(xué)分析：

圖三是轉(zhuǎn)盤5放大的上視圖。由于圓周運動是運動物體各質(zhì)點與圓心距離保持不變的運動，我們在圓周上任取一質(zhì)點為A，并把圓周長分為8等分，則質(zhì)點A運動一周時所通過的位置分別依次為A。、A……A。等處。其次，運動中質(zhì)點A首先要受到一個由傳動帶7施加的切線方向的作用力。第三，由于質(zhì)點A是在作與圓心距離不變的運動，則它同時還受到一個向心力”的作用。質(zhì)點A在同時受到兩個力的作用時，我們可以用平行四邊形法來合成它的合力^。故作圓周運動的物體是由切線方向作用力和向心力的合力所產(chǎn)生的運動。由于力是矢量，質(zhì)點A在運動中的即時速度也是矢量。它的方向與上述的合力方向一致并在同一直線上。質(zhì)點A分別依次通過，等位置時，它受到的合力則依次為等，即時速度依次為、等。從圖中可以看出：作圓周運動的物體是作用力方向和速度方向不斷變化的運動。

那么，作圓周運動的物體的離心力又怎樣產(chǎn)生的呢?可詳見圖四所示：

圖四是金棒3、物體2作圓周運動時(局部)上視示意圖。圖中半徑線Ob為金屬棒3圓周運動半徑，運動質(zhì)點為物體2。設(shè)在某時刻金屬棒3、物體2所處位置為圖四所示位置，金屬棒在運動過程中，在物體2位置上的金屬棒質(zhì)點，會受到上述的切線方向作用力和向心力的合力，的作用，該，即為金屬棒對物體2的作用力，與此同時物體2則會對金屬棒產(chǎn)生一個反作用力F，據(jù)牛頓第三定律規(guī)定：該反作用力F和作用力，大小相等，方向相反并在同一直線上。由于任何一個力都可以用平行四邊形法分解成無數(shù)對的兩個分力，反作用力F亦可分解成在半徑線上偏離圓心的分力F1和相垂直的分力F2，故F1即為圓周運動時物體2在半徑線上作直線偏離圓心運動的作用力，亦即是離心力。即圓周運動物體各質(zhì)點的離心力，來源于作該運動切線方向作用力(外力)和向心力的合力的反作用力中的一個分力。由此可證：作圓周運動的物體是存在離心力的。

目前人們對圓周運動不存在離心力的錯誤認(rèn)識，系忽略了該運動必須是在外力的作用下產(chǎn)生的。如圖一中的轉(zhuǎn)盤5首先要受到傳動帶7所施加的切線方向的力，該力與向心力的合力使轉(zhuǎn)盤5產(chǎn)生圓周運動。由于力的可傳遞性，結(jié)果則依次使轉(zhuǎn)軸4、物體2、金屬棒3一起作圓周運動。而傳動帶所受的力，依次來源于轉(zhuǎn)盤8、轉(zhuǎn)軸9和電機(jī)10，而電機(jī)10的力則來源于線圈接通電流后所產(chǎn)生的磁力。又如人在吊環(huán)上作圓周運動，則人體必須對吊環(huán)施加切線方向的外力，它和向心力的合力使人和吊環(huán)產(chǎn)生圓周運動。故該運動歸根結(jié)底是物體在外力作用下而產(chǎn)生的。由于圓周運動是在外力的作用下產(chǎn)生的，該物體必然有一個對外力的反作用力，離心力就是運動物體各質(zhì)點由這個反作用而產(chǎn)生的。

運動物體一旦失去了向心力的作用(如運動物體突然碎裂)就會產(chǎn)生離心運動。