劉泮霖

摘要：離心現(xiàn)象是我們?cè)谏钪斜容^常見(jiàn)的一種物理現(xiàn)象。慣性離心力并不存在，但其作用效果卻真實(shí)存在，這確實(shí)讓人難以理解。本文通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)詳細(xì)解釋與離心現(xiàn)象有關(guān)的力學(xué)概念。

關(guān)鍵詞：離心現(xiàn)象；離心力；慣性

在平時(shí)生活中，我們可以注意到游樂(lè)場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)的吊椅轉(zhuǎn)得越快越遠(yuǎn)離中軸，坐在轉(zhuǎn)彎時(shí)的汽車(chē)?yán)飼?huì)感覺(jué)自己向外傾斜，雨傘轉(zhuǎn)的越快雨滴越容易甩出去等等，這些都是離心現(xiàn)象的表現(xiàn)。其實(shí)，只要仔細(xì)觀察，我們身邊還有很多交通設(shè)施、生產(chǎn)設(shè)備以及生活用品都考慮了離心現(xiàn)象。那么，什么是離心現(xiàn)象？物理學(xué)又是用了哪些力學(xué)概念解釋離心現(xiàn)象呢？本文通過(guò)概念介紹和物理實(shí)驗(yàn)詳細(xì)解釋與離心現(xiàn)象有關(guān)的力學(xué)概念，以期使讀者很好的理解離心現(xiàn)象的原因，以及區(qū)分慣性離心力、向心力和離心力的關(guān)系。

在解釋離心現(xiàn)象之前，我們先來(lái)理解兩個(gè)物理概念：

（1）力：物理學(xué)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)或形狀發(fā)生變化，人們?cè)谏钪须S時(shí)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(yùn)動(dòng)狀態(tài)的原因。隨著牛頓提出力的三大定律，力的科學(xué)概念被清晰的確立起來(lái)。力學(xué)是研究機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的科學(xué)，是研究物理學(xué)的基礎(chǔ)，也是研究各門(mén)自然科學(xué)的基礎(chǔ)。

（2）慣性參考系和非慣性參考系：為了研究物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律，我們需要選取另外一個(gè)物體作為參考，這個(gè)作為參考的物體稱(chēng)為參考系。牛頓運(yùn)動(dòng)定律能夠適用的參考系為慣性參考系，如相對(duì)于地面靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系；相反，牛頓運(yùn)動(dòng)定律不能夠適用的參考系為非慣性參考系，如相對(duì)于地面做變速運(yùn)動(dòng)的參考系。

對(duì)于離心現(xiàn)象，物理學(xué)定義：離心現(xiàn)象是指做勻速圓周運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)所需的向心力時(shí)，物體將做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)，此種現(xiàn)象叫做“離心現(xiàn)象”。我們知道，牛頓提出的力學(xué)三定律是在慣性參考系下適用，而對(duì)于處在圓周運(yùn)動(dòng)這種非慣性參考系中的觀察者來(lái)說(shuō)，牛頓定律應(yīng)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(xiàn)，實(shí)際是不存在的，它是以力的作用效果來(lái)命名的。例如，在一個(gè)圍繞中心旋轉(zhuǎn)的圓盤(pán)上有一個(gè)通過(guò)繩子連接的小球，繩子的另一端固定在圓盤(pán)中心。由于繩子的拉力，小球同圓盤(pán)一起旋轉(zhuǎn)。以同圓盤(pán)一起轉(zhuǎn)動(dòng)的觀察者看，小球是靜止的。根據(jù)牛頓定律，其受到的合力應(yīng)為零。但實(shí)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?yōu)榱嗽诜菓T性參考系中依然能夠利用牛頓定律解決問(wèn)題，提出了慣性力這一概念，因此我們應(yīng)當(dāng)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(xiàn)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(shí)令人難以理解。下面我們通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)解釋。

1 離心現(xiàn)象和慣性離心力

在物理學(xué)上，慣性離心力的提出只是為了讓牛頓運(yùn)動(dòng)定律在非慣性參考系（如旋轉(zhuǎn)參考系下）依然適用。下面，我們通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)一步理解離心現(xiàn)象和慣性離心力。實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

首先，我們將兩個(gè)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?fàn)顟B(tài)下我們根據(jù)基本的物理知識(shí)就可以做出判斷，由于平均密度的差異，金屬球會(huì)沉在水底，塑料球會(huì)浮在水面上，情況也的確如此?，F(xiàn)在我們讓兩支管子圍繞共同的軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)原本沉在底部的金屬球會(huì)上升到頂部，而原本浮在頂部的塑料球反而會(huì)下降到底部，這和靜止?fàn)顟B(tài)下的現(xiàn)象大不相同。

這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于在旋轉(zhuǎn)參考系中物體的慣性離心力的大小正比于物體的質(zhì)量，由此我們得出結(jié)論：對(duì)旋轉(zhuǎn)速度相同的物體而言，質(zhì)量越大，離心現(xiàn)象越明顯，越易遠(yuǎn)離圓心。實(shí)驗(yàn)中的金屬球密度大于水，靜止時(shí)金屬球沉在底部，旋轉(zhuǎn)中金屬球的離心傾向較大，趨向于遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)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(shí)浮在頂部，旋轉(zhuǎn)起來(lái)時(shí)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(guò)第二節(jié)的物理實(shí)驗(yàn)我們形象的理解了離心現(xiàn)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(guān)系，以及離心力和慣性離心力的區(qū)別。

向心力是當(dāng)物體沿著圓周或曲線軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(chǎn)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(yùn)動(dòng)，繩子對(duì)小球的拉力為小球作勻速圓周運(yùn)動(dòng)提供了向心力。根據(jù)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(gè)力稱(chēng)為離心力。因此，向心力和離心力是從慣性參照系來(lái)看圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)所引入的兩種力。而慣性離心力是從非慣性系來(lái)看力學(xué)現(xiàn)象而引入的一個(gè)物理概念，它和慣性系中的觀察者看到的做圓周運(yùn)動(dòng)的小球施于繩子上的離心力不同。

3 小結(jié)

科學(xué)發(fā)展的過(guò)程就是人類(lèi)觀察現(xiàn)象、總結(jié)規(guī)律，然后利用規(guī)律解釋或預(yù)測(cè)更多現(xiàn)象的過(guò)程。由于離心力可看作是物體作圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jī)器，稱(chēng)作離心機(jī)，例如洗衣機(jī)脫水桶可以使衣物脫水，水凈化設(shè)備利用離心現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)三廢治理中污水凈化等等。當(dāng)然我們也要充分考慮到離心力給我們帶來(lái)的災(zāi)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(xiàn)：

[1]高中物理教材.北京：人民教育出版社.