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，至今沒有一個統一的結論。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系物體切線方向的運動效果(這是目前中學物理課本的觀點)。說有離心力的認為技術上離心機的使用，就是有離心力的結果。然而持這種觀點的人卻不能解釋該離心力是如何產生的，以致遭到持前一種觀點人的反駁，結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生的；是物體的慣性運動和中心束縛力交織在一起產生的。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向前運動(即慣性運動)，靜止的物體則保持原來的靜止狀態。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，其結果則既沒有離心力，也沒有向心力。如兩力大小不等，其結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，筆者亦不能認同。

第三種觀點認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。據邏輯學“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論。故該說法違背了“不矛盾律”，所以筆者也不能認同。

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為轉軸4的上、下固定架，2為有小孔的物體，3為金屬棒，4為轉軸，5為轉盤，7為傳動帶。8為轉盤，9為轉軸，10為電機，11為電機固定架。O為金屬棒3的轉動圓心，。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)側視圖和正視圖。

實驗前，裝置處于靜止狀態，金屬棒處于水平位置，它牢固的安裝在相垂直的轉軸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。金屬棒不計粗細可視為一條直線，在實驗中物體2亦可視為一質點。

實驗時，先把電機接通電源、電機即行轉動，它通過轉軸9帶動轉盤8轉動，然后通過傳動帶7帶動轉盤5，轉軸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作圓周運動時會產生一個在金屬棒上直線偏離圓心的運動，據牛頓第二定律“力是物體產生加速度的原因”，物體2的運動是受到作用力的結果。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生的結果。

二、作圓周運動物體的力學分析：

圖三是轉盤5放大的上視圖。由于圓周運動是運動物體各質點與圓心距離保持不變的運動，我們在圓周上任取一質點為A，并把圓周長分為8等分，則質點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生的運動。由于力是矢量，質點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，運動質點為物體2。設在某時刻金屬棒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則會對金屬棒產生一個反作用力F，據牛頓第三定律規定：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識，系忽略了該運動必須是在外力的作用下產生的。如圖一中的轉盤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盤5產生圓周運動。由于力的可傳遞性，結果則依次使轉軸4、物體2、金屬棒3一起作圓周運動。而傳動帶所受的力，依次來源于轉盤8、轉軸9和電機10，而電機10的力則來源于線圈接通電流后所產生的磁力。又如人在吊環上作圓周運動，則人體必須對吊環施加切線方向的外力，它和向心力的合力使人和吊環產生圓周運動。故該運動歸根結底是物體在外力作用下而產生的。由于圓周運動是在外力的作用下產生的，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點由這個反作用而產生的。

運動物體一旦失去了向心力的作用(如運動物體突然碎裂)就會產生離心運動。