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离心力不是惯性力

发布时间:2021-09-18 06:24:12来源:火狐下载 作者:火狐体育苹果app


  由于千百年来地心说的影响,今日交通运输最为重要的车轮滚动运动竟被牛顿第一定律的狭义表述拒之门外。一方面将轮转运动及其惯性人为地列为非惯性系的领域。另一方面,近几十年来也把离心力(Centrifugal force)强扯为惯性力。为此我已撰文投稿本栏目。

  惯性是物体的一种性质,并不是力,惯性自身也不发生力,惯性力之说自身就欠妥。

  实在的惯性参考系在世界中是不存在的。在物理学上,潜在地受历史上地心说的影响,人们开端先假定地上是停止的,或许在不太长的间隔中把地上运动视为匀速直线运动,然后得到了一个虚拟的、或许说近似的惯性参考系。牛顿便是首先在这样的前提下总结出了运动定律。但是,近代物理学家依然运用这样一个底子就不存在的参考系,进行精确和谨慎的许多物理量的界说和评论,怎样不会误入歧途。爱先生的前半生也是误入了这个骗局,当他完成了狭相之后,才发现了问题,所以他后半生开端研讨广相。他被逼进了断了缆绳的电梯,企图取得那个虚拟的参考系。岂不知在电梯下降过程中,地球仍在自转,即便电梯以自由落体下降,也难以得到实在的惯性参考系。

  物体停止有惯性,运动也有惯性。在“力”之前冠以“惯性”二字,好像标明的便是此种力与运动无关。但是恰恰相反,离心力便是与运动有关。速度对离心力的影响特别大,因而离心力是难以用惯性来描绘的。

  或许有人会说,由于运动才有,不运动就没有,而且不是由其它物体施加给的,所以只能算是一种虚拟的力,因而离心力不存在,其现象可用惯性力来替代。错也,运动物体自身能发生力已经是知识,例如碰击力。小行星碰击地球,发生的巨大的碰击力能叫惯性力吗?飞翔的子弹穿透物体,也叫惯性力吗?有质量的物体运动时自身就具有了动量,与其它物体效果时,会发生冲量。依据牛顿第三定律,飞机撞上大楼,大楼尽管固定没有动,相同对飞机形成破坏力。为什么人们不说是飞机的惯性力与大楼的惯性力发生了效果?为什么偏偏将离心力改名为惯性力呢?

  还有材料说,离心力不存在,其实质便是向心力或惯性力[1]。我以为刚好相反,离心力是实实在在的一种力,是一种不能用其它力替代的力。而向心力刚好是一种虚拟的力,它是一种完全能够找到其它本源的力。例如,地球卫星遭到的向心力便是地球引力(重力),刚好卫星运动发生的离心力与地球引力平衡。咱们在地上上随地球自转,遭到的向心力仅仅地球引力的一部分,仅仅用于对立离心力的那一部分。所以,咱们说,向心力才是虚拟的,实践不能独自存在的,为了形象地表述某些曲线运动,把全部指向运动曲率半径的反方向的那些力中,用于对立离心力的那一部分力,形象化地称为向心力。向心力不是一种独立存在的力,它的巨细只能经过离心力公式来核算。

  离心力与惯性力从历史上就存在着纠葛,我在大学读物理学时,学到的便是离心力、滚动惯量、角动量、向心加速度等概念。可后来这些年,在许多学者的谈论中离心力就变成了惯性力。究其原因,本来离心力与轮转的惯性现象竟到了难辩真假的程度。本来的轮转运动都没有享遭到惯性的名份,从转轮边际甩下来改为切向运动的小不点所受的力,却有了惯性力的待遇。咱们能够剖析这个小不点的来历,如图-1所示,它在脱离轮子的边际之前,并不是从轮子的切线地点的直线方向上而来,也便是说,它本来并不是在作匀速直线运动,也不是停止,它从切点开端才转为切线方向,怎样就成了坚持本来运动状况的惯性呢?

  离心力不是一种虚拟的力,虚拟的力不会发生实践的力学成果。离心力发生实践力学成果的比如许多。本作者就以离心力为理论基础对潮汐成因提出了新的解说[2]。

  不管汽油机仍是柴油机,全部燃油或燃气马达,都有一油门或气门的自控设备。如图-2所示,这种设备是一种离心力原理。当马达的转速快了时,发生的离心力大,转锤离轴半径增大,经过菱形传动设备缩短轴向高度,带动油门拉杆将油门调小。反之,当马达速度减小时,离心力减小,转锤的离轴半径减小,经过拉杆将油门推大。总归,经过转锤滚动发生的离心力主动调控着油门使马达的速度能坚持稳定。

  地球表面各质点随地球自转发生的离心力的方向都是笔直于地轴且向外的,而重力都是指向地心的。如图-3所示,在同一经线上的不同纬度的区域,随地球自转的滚动半径不同。若地球的均匀半径为R,A点的纬度为θ,自转角速度用ω表明,那么A点的绕地轴的滚动半径r = R cosθ,在A点质点m发生的离心力为:

  除赤道外地球上的每一点处的离心力在地平面上都有一指向赤道的不为零的重量f,将部分海水从南北极开端面向赤道邻近,直到赤道邻近水面升高的高度所发生的水压差与离心力重量达平衡停止。由于海平面便是地球形状的界面,所以地球成为了赤道胖而轴向被紧缩的椭球状。

  1835年,法国工程师、数学家科里奥利(G. G. Coriolis,1792-1843)发现了一个十分有规则且风趣的现象:在水平方向上运动的气流或水流,在北半球向右偏转,而在南半球则向左偏转。一般以为是由不同纬度的地球自转线速度的差异形成的。后来将这种效果力命名为科里奥利力[3]。假如地球是一个滚动的圆柱体,在柱面上就不会发生这些现象,但地球表面是一个球面。还如图-3所示,除了赤道外,地球自转发生的离心力都不与重力在同一直线上。它在水平面上指向赤道方向上的重量,使得地上上的气体、液体或固体的全部全部物体都有被拉向赤道的趋势,如图-4所示。这种使物体沿水平面向赤道方向运动的趋势中,越接近赤道,地球自转半径越大,由于角动量守恒,质点从小的自转半径向大半径的搬运中,线速度会有减小的趋势,落后于地球的自转,也便是说会有向西偏移的趋势。这两种趋势都是越接近赤道越大,而且一个作水平运动的物体,它的南、北两头所遭到的这种力的巨细不同。尽管都向赤道偏移,但接近赤道的那一边所遭到的向西的力总是大些,远离赤道的那一边遭到的向西的力总是小些。当物体一边走的快,另一边走的慢时,必定发生旋转。这种旋转在北半球和南半球刚好方向相反。所以就发生了我们所说的地转倾向力。

  综上所述,我以为离心力是实在存在的一种力,它与物体的惯性现象亲近,但不是惯性,不能叫做惯性力,也不是向心力的反效果力。为此,主张把离心力界说为:

  物体做曲线运动时发生的、能使物体趋向于直线运动的、与物体运动方向笔直且与曲率半径方向相同的力,叫做该物体曲线运动的离心力。

  离心力的巨细与运动物体的质量m及瞬时线速度υ的平方成正比,与曲率半径r成反比,即

  直线运动仅仅曲率半径趋于无穷大时的一种特例。依据爱先生的广相理论,空间都是曲折的。因而,沿曲折空间运动的物体发生离心力是一种普遍现象。

  离心力的存在以及对离心力特性的研讨具有重要的物理学含义。除了现在没有搞清楚的世界暗能量以外,离心力是物体之间能反抗万有引力和电磁力的仅有的效果力。若没有离心力的存在,世界的天体会缩短集聚到一同,构成全部物质的原子也会敏捷崩塌;若没有它,由内旋发生的电荷也会消失。离心力函数项很或许便是爱先生的世界学方程的世界常数项中的最为重要的因子,由于它能使世界避免缩短而趋于稳定。

  对离心力更广泛深化的研讨,有或许促进世界物理学与量子力学的一致。相关内容将另笔专论。

  3、 陶世龙、万天丰、程捷,《地球科学概论》,地质出版社,1999,38页.