离心力存不存在?

时间:2021-07-13 09:25:07   作者:
离心力存不存在?离心力是一种假想的力。它不存在。这不是真的。要理解为什么会出现这种情况,请考虑下面自我创作的图。

离心力存不存在

上图表示一个绕其纵轴旋转的圆柱。旋转的方向是无关的,但是为了解释这个,考虑逆时针旋转。与圆筒内壁相连的是一个基座,基座上立着一个拿着球的人物。当圆柱体旋转时,物体和球都感受到一种通常被称为“离心力”的力。对于圆柱体内部的物体来说,这个力似乎是在向圆柱体外部拉(或推,取决于视角)。从圆柱体内部物体的角度看,离心力是一种以旋转中心为原点的矢量力。

后退一步,从外部角度观察旋转的圆柱体,所看到的是一个绕轴旋转的图形。内部的这些物体在向心力的作用下围绕旋转中心加速。这种向心力不断地改变圆柱体内部物体的方向,如果没有受到这个力的作用,圆柱体通常会沿着一个与以旋转中心为圆心的圆相切的方向运动,就像图中所示的v。图中的物体并不遵循它们的自然惯性路径,因为向心力使它们加速向中心,这一方式与牛顿第一和第二运动定律一致。

概括这两个定律,第一个简单地说,一个静止或运动的物体将保持静止或运动在相同的方向,除非受到一个不平衡的力的作用。在这种情况下,向心力就是不平衡力。这些物体向中心加速F = ma(力=质量*加速度),这就是牛顿第二运动定律。

如果上面的图释放了球会发生什么?在那个时刻,球不再受到任何力的作用,它只是沿着图中标记为“v”的矢量前进,直到它接触圆柱的内壁。在这一点上,球再次经历了与墙壁接触产生的向心力。尽管圆柱体内部的物体认为释放的球通过某种看不见的离心力向圆柱体壁加速,但应该清楚的是,这种力实际上根本不存在。

离心力存不存在

有趣的是,一些人错误地将离心力定义为牛顿第三运动定律所假定的反作用力:对于每一个作用力,都有一个大小相等、方向相反的反作用力。这也不是严格意义上的正确,正如上面自我创作的图所示。在这个简化图中,有两个相同的质量系在一起并围绕空间中的一个固定点旋转。和前面一样,唯一实际存在的力是图中标记为F的向心力,它使物体加速向中心。这些力的方向是相反的。在中心,合力是零,所发生的是,每个在旋转的物体都在拉着另一个物体。旋转物体所受的两个相反的向心力代表了牛顿第三运动定律的作用力和反作用力。

没有系绳,图中所示的每个物体通常会沿着标记为v的矢量前进,如前所述,它与围绕旋转中心所画的圆相切,如下图所示。一旦绳子被切断,向心力就消失了,这些物体只能沿着它们的惯性路径前进。没有离心力把它们分开。

离心力存不存在

不幸的是,我观察到,有时物理教师和物理学位获得者都认为离心力是存在的,而科学专业的学生往往完全不知所措。将离心力与牛顿第三运动定律混淆,或认为它是惯性力的结果,是将力和惯性力混为一谈的一种不当做法。人们在考虑这样的表述时需要谨慎。我们当然可以用离心力来简化旋转参考系的数学计算,这是经常做的;然而,必须谨慎理解其含义。离心力实际上并不存在。
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