浅析与离心现象有关的力学概念

刘泮霖

摘要：离心现象是我们在生活中比较常见的一种物理现象。惯性离心力并不存在，但其作用效果却真实存在，这确实让人难以理解。本文通过物理实验来详细解释与离心现象有关的力学概念。

关键词：离心现象；离心力；惯性

在平时生活中，我们可以注意到游乐场转动的吊椅转得越快越远离中轴，坐在转弯时的汽车里会感觉自己向外倾斜，雨伞转的越快雨滴越容易甩出去等等，这些都是离心现象的表现。其实，只要仔细观察，我们身边还有很多交通设施、生产设备以及生活用品都考虑了离心现象。那么，什么是离心现象？物理学又是用了哪些力学概念解释离心现象呢？本文通过概念介绍和物理实验详细解释与离心现象有关的力学概念，以期使读者很好的理解离心现象的原因，以及区分惯性离心力、向心力和离心力的关系。

在解释离心现象之前，我们先来理解两个物理概念：

（1）力：物理学定义力是物体之间的一种普遍的相互作用，其效果是使物体的运动状态或形状发生变化，人们在生活中随时随处都能感受到力的存在。伽利略首次定义了力的概念，并指出力是改变物体运动状态的原因。随着牛顿提出力的三大定律，力的科学概念被清晰的确立起来。力学是研究机械运动规律及其应用的科学，是研究物理学的基础，也是研究各门自然科学的基础。

（2）惯性参考系和非惯性参考系：为了研究物体的机械运动规律，我们需要选取另外一个物体作为参考，这个作为参考的物体称为参考系。牛顿运动定律能够适用的参考系为惯性参考系，如相对于地面静止或做匀速直线运动的参考系；相反，牛顿运动定律不能够适用的参考系为非惯性参考系，如相对于地面做变速运动的参考系。

对于离心现象，物理学定义：离心现象是指做匀速圆周运动的物体，在合外力突然消失或者合外力不足以提供物体做圆周运动所需的向心力时，物体将做逐渐远离圆心的运动，此种现象叫做“离心现象”。我们知道，牛顿提出的力学三定律是在惯性参考系下适用，而对于处在圆周运动这种非惯性参考系中的观察者来说，牛顿定律应该就不能成立了。为了使牛顿定律在形式上仍然成立，我们需要引入一种惯性力，即惯性离心力。

惯性离心力是在非惯性参考系下引入的一种惯性力，是物体惯性的表现，实际是不存在的，它是以力的作用效果来命名的。例如，在一个围绕中心旋转的圆盘上有一个通过绳子连接的小球，绳子的另一端固定在圆盘中心。由于绳子的拉力，小球同圆盘一起旋转。以同圆盘一起转动的观察者看，小球是静止的。根据牛顿定律，其受到的合力应为零。但实际上小球在水平方向只受到绳子的拉力，这样的话，其在水平方向所受合力不为零，这似乎违反了牛顿定律。我们为了在非惯性参考系中依然能够利用牛顿定律解决问题，提出了惯性力这一概念，因此我们应当清楚，惯性离心力是一种虚拟力，只在非惯性参考系下适用。

离心现象在生活中比比皆是，惯性离心力虽然并不存在，但却有作用效果，这确实令人难以理解。下面我们通过物理实验解释。

1 离心现象和惯性离心力

在物理学上，惯性离心力的提出只是为了让牛顿运动定律在非惯性参考系（如旋转参考系下）依然适用。下面，我们通过物理实验来进一步理解离心现象和惯性离心力。实验过程如下：

首先，我们将两个管子成V字形固定在共同的軸上，装上水并放入同体积的塑料球和金属球，静止状态下我们根据基本的物理知识就可以做出判断，由于平均密度的差异，金属球会沉在水底，塑料球会浮在水面上，情况也的确如此。现在我们让两支管子围绕共同的轴旋转，当达到一定转速后，我们会发现原本沉在底部的金属球会上升到顶部，而原本浮在顶部的塑料球反而会下降到底部，这和静止状态下的现象大不相同。

这一实验现象的产生是由于在旋转参考系中物体的惯性离心力的大小正比于物体的质量，由此我们得出结论：对旋转速度相同的物体而言，质量越大，离心现象越明显，越易远离圆心。实验中的金属球密度大于水，静止时金属球沉在底部，旋转中金属球的离心倾向较大，趋向于远离旋转的轴心而被甩到管子的顶部。塑料球的平均密度小于水，静止时浮在顶部，旋转起来时水的离心倾向较大，塑料球就被挤到管子的底部了。

2 向心力、离心力与惯性离心力

通过第二节的物理实验我们形象的理解了离心现象和惯性离心力的概念。在此，我们还需要理解离心力与向心力的关系，以及离心力和惯性离心力的区别。

向心力是当物体沿着圆周或曲线轨道运动时，指向圆心（曲率中心）的合外力作用力，是从这种合外力作用所产生的效果而命名的。例如，我们用一根绳子拉着小球做圆周运动，绳子对小球的拉力为小球作匀速圆周运动提供了向心力。根据牛顿第三定律，小球用与自己所受向心力大小相同、方向相反的力拉绳子，这个力称为离心力。因此，向心力和离心力是从惯性参照系来看圆周运动时所引入的两种力。而惯性离心力是从非惯性系来看力学现象而引入的一个物理概念，它和惯性系中的观察者看到的做圆周运动的小球施于绳子上的离心力不同。

3 小结

科学发展的过程就是人类观察现象、总结规律，然后利用规律解释或预测更多现象的过程。由于离心力可看作是物体作圆周运动时向心力的平衡力，人们利用离心力制作了分离液体与固体、液体与液体的混合物中各组分的机器，称作离心机，例如洗衣机脱水桶可以使衣物脱水，水净化设备利用离心现象实现三废治理中污水净化等等。当然我们也要充分考虑到离心力给我们带来的灾害，例如铁路和公路弯道的处理就需要充分考虑离心力不利的一面了。

参考文献：

[1]高中物理教材.北京：人民教育出版社.