離心力在我們的日常生活中無處不在,但它是我們想象的那樣嗎?當我們坐在行駛的汽車裡,汽車轉彎時我們能感受到它的存在;當我們坐在旋轉木馬上玩耍時,也能感受到它的存在。有一天,它甚至可能為宇宙飛船和空間站提供人造重力。
但是,人們經常把離心力經常和它的對應的向心力相混淆,因為它們密切相關,本質上是同一枚硬币的兩面。
離心力與向心力
根據定義,向心力是"保持物體在曲線路徑上運動所必需的力,該力向内指向旋轉中心",而離心力被定義為"物體在遠離旋轉中心的彎曲路徑上運動時所感受到的表觀力"。
請注意,這裡說的向心力是一種實際力,而離心力被定義為一種表觀力,一種虛拟力。換句話說,當在一根繩子上旋轉一個物體時,繩子對物體施加向内的向心力,而物體對繩子施加向外的離心力,也就是向心力的反作用力。
一位華盛頓大學的研究物理學家介紹說:"向心力和離心力之間的區别與采用了不同的參照系有關,也就是說,從不同的角度來衡量,結果就會不同。向心力和離心力實際上是完全相同的力,隻不過它們方向相反,因為它們來自不同的參照系。
如果你從外面觀察一個旋轉系統,你會看到一個向内的向心力将旋轉體限制在一個旋轉半徑形成的圓形路徑上。然而,如果你是這個旋轉系統的一部分,你會感受到一種明顯的離心力将你沿着背向圓心的方向往外推。
遵循牛頓運動定律牛頓運動定律描述了這種明顯的外力。牛頓第一定律指出,靜止的物體将保持靜止,運動的物體将保持運動,除非它受到外力的作用。
如果一個巨大的物體在空間中直線運動,它的慣性将使它保持直線運動,隻有在施加外力的情況下它才可能加速、減速或改變方向。為了使它不改變速度而沿着圓形路徑前進,必須以與運動路徑成直角的方式施加連續向心力(避免物體向外運動)。這個圓的半徑(r)等于質量(m)乘以速度(v)的平方除以向心力(f),既r = mv^2/F,也可寫成F= mv^2/r。
牛頓第三定律指出,對于每一個力,都有一個大小與之相等且方向相反的的力,就像重力使你站在地面,而地面同時又給你一個支撐力。當你坐在加速的汽車上時,座位會對你施加向前的力,就像你對座位施加向後的力一樣。
在旋轉系統中,向心力将物體向内拉以保持曲線路徑,而物體由于其慣性被往外推。在每一種情況下,隻有一種真正的力被施加,而另一種隻是一種反作用力。
離心機對血液施加向心力,将它們按照密度進行分離
向心力的應用現實生活中,有許多利用向心力的例子。一個是模拟宇航員訓練的加速度裝置。當火箭剛剛發射時,它充滿了燃料和氧化劑,幾乎不能移動。然而随着它的升高,燃料以驚人的速度燃燒,火箭重量不斷減輕。牛頓第二定律指出,力等于質量乘以加速度,既F=ma。
在大多數情況下,物體質量保持不變。對于剛才例子中的火箭來說,它的質量迅速減小,而同時火箭發動機提供的推力幾乎保持不變,這就導緻加速階段結束時的加速度增加到正常重力情況下的幾倍。美國國家航空航天局使用大型離心機訓練宇航員應對這種極端的加速情形。在這種應用中,向心力是由座椅靠背向内推宇航員來實現。
向心力應用的另一個例子是實驗室離心機,它用于加速懸浮在液體中的顆粒狀沉澱物。這項技術的一個常見用途是對血液樣本進行分析。由于血液的獨特構成,在離心機的作用下,很容易實現從血漿中分離出紅細胞。典型的離心機可以達到正常重力的600到2000倍的加速度,這迫使較重的紅細胞沉澱在底部,并由于密度不同而形成各種成分的分層。
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