淺談離心力現象
在生活中我們常常會如此闡述:某種東西遭到「離心力」的作用而被甩出去。比方滾筒洗衣機中的水、轉彎車輛中的人、離心機的試劑等等。但當咱們試圖用牛頓力學去對其進行受力剖析是,卻發現一個神秘的現象。
例如,在經典的小球繞圓心O作勻速圓周運動體系中,處于體系內的觀察者會發現小球與圓心處于一個相對靜止的狀況。依據牛頓第一定律,小球沒有任何外力施加或所施加的外力之和為零。還有一處在地面上的觀察者,則能夠看到小球在繞圓心作勻速圓周運動,并由此得出繩子的張力F=離心力=mv^2/r=mw^2*r。兩者巨細相同,且方向相反。風趣的是,當咱們試圖用牛頓第三定律去剖析這個體系中的力的彼此作用聯系式是,往往會墮入一座邏輯的迷宮——在體系外觀察者視角下,分不清施力源和力的作用對象以及彼此作用力之間的聯系。

小球繞一個圓心O作勻速圓周運動的體系
不同于電磁力和引力,離心力的巨細會跟著觀察者選取的參考系的改變而改變。那么什么是參考系呢?大家都知道運動是相對的,觀察者判斷一個物體是否在運動是需求選取一個比較的對象,這個對象便是參考系。而參考系分兩種,一種是慣性系,另一種是非慣性系。
慣性系顧名思義,便是契合慣性定律的參考系,即物體在其間維持其慣性狀況——假如物體不受外力作用或者所受合外力為0,則堅持本身運動狀況。受主觀直覺影響,人們常常把自己周圍的環境當作慣性參考系。
而非慣性系,便是不契合慣性定律的,相對于慣性系,本身有加快度的參考系。比方上面提到的小球繞圓心做勻速圓周運動的體系。一個簡單的辦法是,咱們能夠經過有無慣性力來區別慣性系和非慣性系。那么什么是慣性力呢?
例如,在加快行進的列車中,車上的小球會自發的加快向車尾運動。此是,車內的觀察者注意到小球在加快,在車內卻找不到施力源。但從全局來看,小球相對于列車有加快度,列車相對于地面有加快度,這兩個加快度巨細相同,方向相反。小球的加快度恰好抵消了列車的加快度,使得小球在車內堅持了慣性狀況。
更一步認識離心力
由上面這個比如咱們能夠看出:在非慣性系中,物體的加快度是源于物體的慣性,或者說物體本身質量對于非慣性系加快度的抗性;也便是在慣性系中,慣性質量對于本身加快度的抗性。更形象的說,慣性實際上是物體本身的惰性,總是在阻撓本身運動改變的發作。
因而,在非慣性系中,物體加快的施力源便是慣性質量,所以這個力(在上述比如中的F*)被稱為慣性力。并且依據上面的描繪,慣性質量越大,處于非慣性系中的物體所受的慣性力也就會越大。同理在小球繞圓心做勻速圓周運動的體系中,咱們發現小球所受的離心力F也有這樣的特性,因而離心力也是慣性力的一種。
為什么在牛頓力學中,慣性力又被認為是「虛擬力」呢?
在微觀上,因為非慣性系的受力和加快度是實在的,慣性力的作用是實在存在的。但同是,慣性力發生的源頭并不是由于物體的彼此作用,而是來自物體固有的慣性特點,所以看起來不像引力、電磁力一樣能找到施力源。
另外,慣性力的作用就像是參考系本身的運動,由于慣性質量的存在,對其內部事物發生影響的體現。從定量的角度來說,為了使牛頓第二定律仍然能夠用于描繪非慣性系中的運動,平衡非慣性系遭到的實在力,引入了一系列虛擬力——包含科里奧利力,離心力和歐拉力。
在微觀低速的條件下,使用等效原理來抵消非慣性系影響,能夠協助咱們剖析離心現象并加以使用。比方能夠分隔比重不同的固體或液體的離心機,它們廣泛使用在工業、農業和科學研究等方面,從選礦、選種,到從牛乳平分出奶油,乃至是別離鈾同位素、測定高分子溶膠平分子量。
在以前的日子中,一個十分經典的比如便是我們從小都熟悉的棉花糖機。機器的中心部位是一個溫度很高的加熱腔,蔗糖被參加后會變成糖漿。加熱腔壁上有一些尺度小于蔗糖顆粒的孔。當糖漿在加熱腔中高速旋轉的時分,就會跟著離心現象從小孔中被拋出到棉花糖機大碗的周圍,再凝結成固態的糖絲。
在更進一步發展中,人們開端結合流體力學與離心力的研究成果,經過人為制造氣壓差,將需求別離的含雜質的流動相,送入氣旋內。質量較大的顆粒被拋向外圍并與容器內壁劇烈碰撞,并掉落到底部;小質量的顆粒則順著中心上升的氣流離開容器。
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