淺析與離心現象有關的力學概念

劉泮霖

摘要：離心現象是我們在生活中比較常見的一種物理現象。慣性離心力并不存在，但其作用效果卻真實存在，這確實讓人難以理解。本文通過物理實驗來詳細解釋與離心現象有關的力學概念。

關鍵詞：離心現象；離心力；慣性

在平時生活中，我們可以注意到游樂場轉動的吊椅轉得越快越遠離中軸，坐在轉彎時的汽車里會感覺自己向外傾斜，雨傘轉的越快雨滴越容易甩出去等等，這些都是離心現象的表現。其實，只要仔細觀察，我們身邊還有很多交通設施、生產設備以及生活用品都考慮了離心現象。那么，什么是離心現象？物理學又是用了哪些力學概念解釋離心現象呢？本文通過概念介紹和物理實驗詳細解釋與離心現象有關的力學概念，以期使讀者很好的理解離心現象的原因，以及區分慣性離心力、向心力和離心力的關系。

在解釋離心現象之前，我們先來理解兩個物理概念：

（1）力：物理學定義力是物體之間的一種普遍的相互作用，其效果是使物體的運動狀態或形狀發生變化，人們在生活中隨時隨處都能感受到力的存在。伽利略首次定義了力的概念，并指出力是改變物體運動狀態的原因。隨著牛頓提出力的三大定律，力的科學概念被清晰的確立起來。力學是研究機械運動規律及其應用的科學，是研究物理學的基礎，也是研究各門自然科學的基礎。

（2）慣性參考系和非慣性參考系：為了研究物體的機械運動規律，我們需要選取另外一個物體作為參考，這個作為參考的物體稱為參考系。牛頓運動定律能夠適用的參考系為慣性參考系，如相對于地面靜止或做勻速直線運動的參考系；相反，牛頓運動定律不能夠適用的參考系為非慣性參考系，如相對于地面做變速運動的參考系。

對于離心現象，物理學定義：離心現象是指做勻速圓周運動的物體，在合外力突然消失或者合外力不足以提供物體做圓周運動所需的向心力時，物體將做逐漸遠離圓心的運動，此種現象叫做“離心現象”。我們知道，牛頓提出的力學三定律是在慣性參考系下適用，而對于處在圓周運動這種非慣性參考系中的觀察者來說，牛頓定律應該就不能成立了。為了使牛頓定律在形式上仍然成立，我們需要引入一種慣性力，即慣性離心力。

慣性離心力是在非慣性參考系下引入的一種慣性力，是物體慣性的表現，實際是不存在的，它是以力的作用效果來命名的。例如，在一個圍繞中心旋轉的圓盤上有一個通過繩子連接的小球，繩子的另一端固定在圓盤中心。由于繩子的拉力，小球同圓盤一起旋轉。以同圓盤一起轉動的觀察者看，小球是靜止的。根據牛頓定律，其受到的合力應為零。但實際上小球在水平方向只受到繩子的拉力，這樣的話，其在水平方向所受合力不為零，這似乎違反了牛頓定律。我們為了在非慣性參考系中依然能夠利用牛頓定律解決問題，提出了慣性力這一概念，因此我們應當清楚，慣性離心力是一種虛擬力，只在非慣性參考系下適用。

離心現象在生活中比比皆是，慣性離心力雖然并不存在，但卻有作用效果，這確實令人難以理解。下面我們通過物理實驗解釋。

1 離心現象和慣性離心力

在物理學上，慣性離心力的提出只是為了讓牛頓運動定律在非慣性參考系（如旋轉參考系下）依然適用。下面，我們通過物理實驗來進一步理解離心現象和慣性離心力。實驗過程如下：

首先，我們將兩個管子成V字形固定在共同的軸上，裝上水并放入同體積的塑料球和金屬球，靜止狀態下我們根據基本的物理知識就可以做出判斷，由于平均密度的差異，金屬球會沉在水底，塑料球會浮在水面上，情況也的確如此。現在我們讓兩支管子圍繞共同的軸旋轉，當達到一定轉速后，我們會發現原本沉在底部的金屬球會上升到頂部，而原本浮在頂部的塑料球反而會下降到底部，這和靜止狀態下的現象大不相同。

這一實驗現象的產生是由于在旋轉參考系中物體的慣性離心力的大小正比于物體的質量，由此我們得出結論：對旋轉速度相同的物體而言，質量越大，離心現象越明顯，越易遠離圓心。實驗中的金屬球密度大于水，靜止時金屬球沉在底部，旋轉中金屬球的離心傾向較大，趨向于遠離旋轉的軸心而被甩到管子的頂部。塑料球的平均密度小于水，靜止時浮在頂部，旋轉起來時水的離心傾向較大，塑料球就被擠到管子的底部了。

2 向心力、離心力與慣性離心力

通過第二節的物理實驗我們形象的理解了離心現象和慣性離心力的概念。在此，我們還需要理解離心力與向心力的關系，以及離心力和慣性離心力的區別。

向心力是當物體沿著圓周或曲線軌道運動時，指向圓心（曲率中心）的合外力作用力，是從這種合外力作用所產生的效果而命名的。例如，我們用一根繩子拉著小球做圓周運動，繩子對小球的拉力為小球作勻速圓周運動提供了向心力。根據牛頓第三定律，小球用與自己所受向心力大小相同、方向相反的力拉繩子，這個力稱為離心力。因此，向心力和離心力是從慣性參照系來看圓周運動時所引入的兩種力。而慣性離心力是從非慣性系來看力學現象而引入的一個物理概念，它和慣性系中的觀察者看到的做圓周運動的小球施于繩子上的離心力不同。

3 小結

科學發展的過程就是人類觀察現象、總結規律，然后利用規律解釋或預測更多現象的過程。由于離心力可看作是物體作圓周運動時向心力的平衡力，人們利用離心力制作了分離液體與固體、液體與液體的混合物中各組分的機器，稱作離心機，例如洗衣機脫水桶可以使衣物脫水，水凈化設備利用離心現象實現三廢治理中污水凈化等等。當然我們也要充分考慮到離心力給我們帶來的災害，例如鐵路和公路彎道的處理就需要充分考慮離心力不利的一面了。

參考文獻：

[1]高中物理教材.北京：人民教育出版社.