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什么是离心力和向心力?

人们在旋转木马上感受向心力和离心力。Chepko Danil Vitalevich | Shutterstock)

离心力在我们的日常生活中无处不在,但它是我们认为的吗

当我们在汽车转弯或飞机转弯时,我们会体验到它。我们可以在洗衣机的旋转周期中看到它,也可以在孩子们骑旋转木马的时候看到它。有朝一日,它甚至可以为太空船和空间站提供人造重力。

但离心力常常与它的对应物向心力混淆,因为它们是如此密切相关——本质上是同一枚硬币的两面。

向心力的定义是,“保持物体在弯曲路径上移动所需的力,并朝着旋转中心向内,”而离心力被定义为“物体在弯曲路径上移动时所感受到的、从旋转中心向外作用的表观力,根据韦氏词典,

指出,向心力是一种实际力,离心力是一种表观力。换言之,当在弦上旋转一个质量时,弦对质量施加向内的向心力,而质量似乎对弦施加向外的离心力。

“向心力和离心力之间的差异与不同的‘参照系’有关,也就是说,华盛顿大学的研究物理学家安德鲁甘斯(Andrew A.Ganse)说向心力和离心力实际上是完全相同的力,只是方向相反,因为它们来自不同的参照系。

如果你从外部观察一个旋转系统,你会看到一个向内的向心力作用于将旋转体约束到一个圆形路径上。然而,如果你是旋转系统的一部分,你会感受到一种明显的离心力把你从圆心推离,即使你真正感受到的是向内的向心力,它使你不致偏离正切,但力服从牛顿的运动定律,这个明显的向外的力是由牛顿的运动定律描述的。牛顿第一定律指出“静止的物体将保持静止,运动中的物体将保持运动,除非受到外力的作用。”

如果一个大质量物体在空间中直线运动,其惯性将使其在直线上继续运动,除非外力使其加速向上、减速或改变方向。为了使其在不改变速度的情况下沿圆形路径行驶,必须以与其路径成直角的方向施加连续向心力。这个圆的半径(r)等于质量(m)乘以速度(v)除以向心力(F)的平方,或r=mv^2/F。这个力可以通过简单地重新排列方程F=mv^2/r来计算。

牛顿第三定律指出“对于每一个动作,都有一个相等和相反的反作用力。”正如重力引起的你在地面上施加一个力,地面似乎在你的脚上施加一个相等的相反的力。当你在一辆加速的汽车里,座椅对你施加一个向前的力,就像你对座椅施加一个向后的力一样。

在旋转系统的情况下,向心力将质量向内拉,使其沿着弯曲的路径运动,而质量则由于其惯性而向外推。然而,在每一种情况下,只有一种真正的力被施加,而另一种力只是一种明显的力。

实验室离心机快速旋转,对血液等液体施加向心力,然后根据其密度将其分离。向心力的作用示例

有许多利用向心力的应用。一种是模拟航天发射对宇航员的加速训练。当火箭第一次发射时O含有燃料和氧化剂,它几乎不能移动。然而,当它上升时,它以惊人的速度燃烧燃料,不断失去质量。牛顿第二定律指出力等于质量乘以加速度,或F=ma。在大多数情况下,质量保持不变。然而,对于火箭,它的质量急剧变化,而力,在这种情况下,火箭发动机的推力,几乎保持不变。这会导致加速阶段结束时的加速度增加到正常重力的几倍。美国宇航局使用大型离心机为宇航员准备这种极端加速。在这种应用中,向心力是由座椅靠背向内推动宇航员提供的。

向心力应用的另一个例子是实验室离心机,它用于加速悬浮在液体中的颗粒的沉淀。这种技术的一个常见用途是制备用于分析的血样。根据莱斯大学的实验生物科学网站,“独特的血液结构使得通过差速离心分离 ... 中的红细胞和其他形成元素变得非常容易。”

在正常重力下,热运动导致持续的混合,防止血液细胞从全血样本中沉降出来。然而,一台典型的离心机可以达到600到2000倍于正常重力的加速度。这迫使重血红细胞沉淀在底部,并根据其密度将溶液的各种成分分层。

附加资源:

阅读更多关于向心力的资料,来自Swinburne理工大学。从弗吉尼亚大学物理展上了解更多关于离心力的知识。观看本视频解释和比较向心力和离心力,来自SciShow。”这篇文章是由生命科学撰稿人詹妮弗·莱曼于2019年5月10日更新的

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