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什么是離心力?
點擊次數(shù):2322 更新時間:2020-12-02

在生活之中,我們常常會如此描述:某種東西受到了離心力的作用而被甩出去。比如滾筒洗衣機(jī)中的水、轉(zhuǎn)彎車輛中的人、離心機(jī)的試劑等等。但當(dāng)我們試圖用牛頓力學(xué)去對其進(jìn)行受力分析是,卻發(fā)現(xiàn)一個詭異的現(xiàn)象。

例如,在經(jīng)典的小球繞圓心O作勻速圓周運(yùn)動體系中,處于體系內(nèi)的觀察者會發(fā)現(xiàn)小球與圓心處于一個相對靜止的狀態(tài)。根據(jù)牛頓定律,小球沒有任何外力施加或所施加的外力之和為零。另有一處在地面上的觀察者,則可以看到小球在繞圓心作勻速圓周運(yùn)動,并由此得出繩子的張力F=離心力=mv^2/r=mw^2*r。兩者大小相同,且方向相反。有趣的是,當(dāng)我們試圖用牛頓第三定律去分析這個系統(tǒng)中的力的相互作用關(guān)系式是,往往會陷入一座邏輯的迷宮,在體系外觀察者視角下,分不清施力源和力的作用對象以及相互作用力之間的關(guān)系。

臺式低速離心機(jī)

小球繞一個圓心O作勻速圓周運(yùn)動的系統(tǒng)

不同于電磁力和引力,DT5-2低速臺式自動平衡離心機(jī)的離心力的大小會隨著觀察者選取的參考系的變化而變化。那么什么是參考系呢?我們知道運(yùn)動是相對的,觀察者判斷一個物體是否在運(yùn)動是需要選取一個比較對象,這個比較對象就是參考系。而參考系分兩種,一種是慣性系,另一種是非慣性系。

慣性系顧名思義,就是符合慣性定律的參考系,即物體在其中維持其慣性狀態(tài),如果物體不受外力作用或者所受合外力為0,則保持自身運(yùn)動狀態(tài)。受主觀直覺影響,人們常常把自己周圍的環(huán)境當(dāng)作慣性參考系,而非慣性系,就是不符合慣性定律的,相對于慣性系,自身有加速度的參考系。比如上面提到的小球繞圓心做勻速圓周運(yùn)動的系統(tǒng)。一個簡單的辦法是,我們可以通過有無慣性力來區(qū)分慣性系和非慣性系。那么什么是慣性力呢?

例如,在加速行駛的列車中,車上的小球會自發(fā)的加速向車尾運(yùn)動。此是,車內(nèi)的觀察者注意到小球在加速,在車內(nèi)卻找不到施力源。但從全局來看,小球相對于列車有加速度,列車相對于地面有加速度,這兩個加速度大小相同,方向相反。小球的加速度恰好抵消了列車的加速度,使得小球在車內(nèi)保持了慣性狀態(tài)。

臺式低速離心機(jī)

由上面這個例子我們可以看出:在非慣性系中,物體的加速度是源于物體的慣性,或者說物體自身質(zhì)量對于非慣性系加速度的抗性;也就是在慣性系中,慣性質(zhì)量對于自身加速度的抗性。更形象的說,慣性實際上是物體自身的惰性,總是在阻止自身運(yùn)動變化的發(fā)生。

因此,在非慣性系中,物體加速的施力源就是慣性質(zhì)量,所以這個力(在上述例子中的F*)被稱為慣性力。并且根據(jù)上面的描述,慣性質(zhì)量越大,處于非慣性系中的物體所受的慣性力也就會越大。同理在小球繞圓心做勻速圓周運(yùn)動的系統(tǒng)中,我們發(fā)現(xiàn)小球所受的離心力F也有這樣的特性,因此離心力也是慣性力的一種。

為什么在牛頓力學(xué)中,慣性力又被認(rèn)為是虛擬力呢?

在宏觀上,因為非慣性系的受力和加速度是真實的,慣性力的效果是真實存在的。但同是,慣性力產(chǎn)生的源頭并不是由于物體的相互作用,而是來自物體固有的慣性屬性,所以看起來不像引力、電磁力一樣能找到施力源。另外,慣性力的效果就像是參考系本身的運(yùn)動,由于慣性質(zhì)量的存在,對其內(nèi)部事物產(chǎn)生影響的體現(xiàn)。從定量的角度來說,為了使牛頓第二定律仍然能夠用于描述非慣性系中的運(yùn)動,平衡非慣性系受到的真實力,引入了一系列虛擬力,包括科里奧利力,離心力和歐拉力。在宏觀低速的條件下,使用等效原理來抵消非慣性系影響,可以幫助我們分析離心現(xiàn)象并加以應(yīng)用。比如可以分開比重不同的固體或液體的離心機(jī),它們廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學(xué)研究等方面,從選礦、選種,到從牛乳中分出奶油,甚至是分離鈾同位素、測定高分子溶膠中分子量。

臺式醫(yī)用低速離心機(jī)DT5-2

在生活中,一個非常經(jīng)典的例子就是大家從小都熟悉的棉花糖機(jī)。機(jī)器的中心部位是一個溫度很高的加熱腔,蔗糖被加入后會變成糖漿。加熱腔壁上有一些尺寸小于蔗糖顆粒的孔。當(dāng)糖漿在加熱腔中高速旋轉(zhuǎn)的時候,就會隨著離心現(xiàn)象從小孔中被拋出到棉花糖機(jī)大碗的周圍,再凝固成固態(tài)的糖絲,在更進(jìn)一步發(fā)展中,人們開始結(jié)合流體力學(xué)與離心力的研究成果,通過人為制造氣壓差,將需要分離的含雜質(zhì)的流動相,送入氣旋內(nèi)。質(zhì)量較大的顆粒被拋向外圍并與容器內(nèi)壁激烈碰撞,并掉落到底部,小質(zhì)量的顆粒則順著中心上升的氣流離開容器。上海京工長期銷售各種實驗室儀器,其中也包含進(jìn)口品牌儀器,比如IKA磁力攪拌器、IKA分散機(jī)。

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