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“不存在”的离心力究竟存在不? ——惯性力系列1

发布时间:2021-09-09 11:21:01来源:火狐下载 作者:火狐体育苹果app


  作为一个理科生,每次看视频但凡说到“离心力”总能看到谈论里必然会掀起一场大评论:

  在上面的评论中,我总想“插一手”,但又碍于篇幅……终究决议在这次假日为咱们阐明一下什么是离心力。当然,在阐明离心力是什么之前,咱们需求引进一些基础知识。

  在介绍离心力之前,咱们需求先阐明什么是惯性力。在阐明什么是惯性力之前,咱们首要需求理解几个概念:什么是惯性,什么是参考系,什么是惯性参考系,什么对错惯性参考系……

  从初中学物理开端,咱们就触摸到牛顿第必规则:任何物体总会坚持停止或匀速直线运动状况,除非有外力迫使它改动这种状况。实际上,这也便是惯性:坚持本来的运动趋势。例如,在车上,忽然刹车,人会往前倾(坚持本来的运动状况)

  在研讨物体运动的时分,咱们总会研讨物体的方位改动。这个方位改动必定是相对的。在中学,咱们触摸的概念叫做“参照物”,事实上,“参考系”在必定程度上等价于“参照物”。

  咱们约好,参照物是人为规则的停止的。即相关于它方位不变的就称为“停止”,相关于它方位发生改动的就称为“运动”。对一个物体的描绘或许由于参考系的不同而不同——例如,A和B坐在车上,C在车外站立不动。车向前运动,以C为参考系(在C看来),A、B都是运动的;而以A为参考系(在A看来),B是停止的,C是运动的。

  不难理解,所谓“惯性参考系”,便是指:满意惯性规则的那些参考系称为“惯性参考系”,相似的,不满意惯性规则的那些参考系称为“非惯性参考系”。

  在这儿,咱们应当意识到一点:惯性参考系和非惯性参考系关于运动学规则而言没有不同,它们的不同只在动力学中有所表现。

  (注:运动学:描绘物体怎样运动;动力学(运动+力):描绘物体为什么这样运动。在中学所学的那些匀速运动公式、匀加快运动公式都是运动学公式;牛顿运动规则归于动力学,尽管它叫做“运动”规则……)

  (留意:咱们现在评论的相对性原理仅仅评论“力学相对性原理”,这是由伽利略提出来的;之后爱因斯坦对它进行推行,得到了更遍及的“相对性原理”)

  相对性原理:全部惯性参考系的力学规则等价。那么,怎样判别一个参考系是不是惯性参考系呢?除了使用“是否满意牛顿运动规则”来判别,咱们还可以用下面的判别办法:

  相关于惯性参考系匀速直线运动的参考系都是惯性参考系,全部惯性系都是等价的。

  需求留意的一点是,咱们这儿说的是力学规则等价,并没有说力学现象等价,即现象不必定相同。例如,一辆匀速向前行驶的列车,列车上和列车下都有一个人站着,车上的人拿着一个小球,小球做自由落体运动(这是以车辆这一惯性参考系说的),而关于列车下的人(以地上为参考系),小球做平抛运动。无论是哪种现象,都可以用牛顿运动规则解说,这是力学规则等价。

  需求留意的第二点是,咱们在这儿假定地上(地球)为惯性参考系,实际上,由于地球的自转,地上自身并不是惯性参考系。但由于地球自转所导致的效应对地上上的一般研讨目标而言极小,一般情况下咱们默许地上为惯性系。当然,假如运动间隔过大,就不得不考虑自转效应,例如:洋流、大气等现象都需求考虑地球自转所引进的科氏力(即高中地理课上学到的“地转倾向力”,详细的内容今后再讲)

  至此,咱们现已介绍了一些必要概念,要点介绍了参考系(包含惯性系和非惯性系)。咱们发现:满意牛顿运动规则的参考系称为“惯性系”,与之相对,“非惯性系”就不满意牛顿规则。关于“非惯性系”,咱们的办法便是将非惯性系“转化”为惯性系。其转化进程有两种:

  1. 从非惯性系外面调查研讨目标的运动,即“跳出”非惯性系“到”惯性系。这种办法是咱们中学阶段最常用的办法,例如:一辆车做匀加快运动,在考虑问题的时分,咱们很简略看到:车上的人由于做匀加快运动,所以必然会遭到一个向前的力(这个力也许是摩擦力,也许是椅子的支持力)。可是,关于车上的人来看呢?Who care!横竖现已研讨出来了人的受力状况!

  可是,在有些情况下,咱们或许用这一种办法比较耗脑细胞,例如:一个逆时针滚动的圆盘上,有一个小球从圆盘圆心沿半径向外运动,那么它的运动状况是什么?假如这个圆盘变成地球,小球变成河流呢?在这种情况下,咱们不得不在一个非惯性系下考虑问题。可是,非惯性系不满意牛顿运动规则怎样办?就要用到办法2了!

  2. 引进虚拟力使其满意牛顿运动规则。很简略,已然已有的力不满意,那我就再人为加一个虚拟的力,使其在非惯性系下满意就好了。例如,仍是车辆加快,关于车里的人而言,他没有遭到力(的确,你在车里坐着,又怎样会想到遭到一个向前的力呢?究竟在你看来,车辆是停止的啊)可是,生活经验告知咱们,车辆加快人会向后倾,那么对立点就来了:不受力却向后倾,为什么?这就对错惯性系的特色:不满意牛顿运动规则。

  (在这儿再举一个很有名的比如:假定你在一个关闭的电梯里,电梯向下做自由落体,当你在电梯里让一个小球由停止下落,你会发现小球此刻悬浮在空中。这是由于以地上为参考系,电梯和里边的小球一起做自由落体运动,它们之间相对停止,受力很简略,仅受一个重力。可是,关于你而言,你会看到小球受重力但没有下落,为什么?)

  咱们再细心考虑一下牛顿运动规则(特别是牛顿第二规则),说的是力与加快度的联系。那么,已然运动规则不满意,咱们就退而求其次,改动二者之一使其满意就好了。可是,改动加快度的界说?很显然不合理,究竟我向后倾,你和我说我的加快度为0,我不能承受……

  那么,咱们能想到的仅有办法,便是改动“力”,即想办法让力满意加快度:已然加快度向后,咱们只需求人为引进一个向后的力不就好了。相同,关于电梯,咱们只需求人为引进一个向上的力且巨细为小球重力,这样小球就会受力平衡而停止了。假如你能跟着我想理解这一块儿,而且现已承受了它,那么祝贺你:你现已把握了一种最简略的“惯性力”。当然,现在仅仅介绍了一种引进思路,详细怎么核算,怎么使用才是咱们所关怀的。