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            公司新聞

            問祖歸宗:科技前沿離心機的核心概念不存在的力

            問祖歸宗:科技前沿離心機的核心概念 —“不存在的力”

             

            我們都知道當科學家發現一種事物總會想著將其有效利用,每一次的發明都會大大影響人們的生活。

            就比如倫琴射線被運用于醫學中掃描人體的部分,使看診效率大幅度增加。

            離心力只是一種虛擬力,是一種慣性力,它使旋轉的物體遠離它的旋轉中心,而它并不存在,只是被用于理解一種現象的發生,而實際上是多個力在作用。

            如果要找出假設的來源,理所當然應首推拉格朗日的力學公式對其描述和理解。

            所以若是說離心力是誰假設的,是笛卡爾、牛頓、伽利略亦或是誰,我們并不知情。


            要談到離心力,就得先從牛頓***律開始談起。

            慣性離心力是勻速旋轉參考系中,為了形式上保持牛頓***律的形式,而引入的一類虛擬力。

            在牛頓力學里,離心力曾被用于表述兩個不同的概念:在一個非慣性參考系下觀測到的一種慣性力,向心力的平衡。在拉格朗日力學下,離心力有時被用來描述在某個廣義坐標下的廣義力。

            從*義上,「離心力,centrifugal force」是一種假力,從牛頓力學而言,描述圓周運動只需向著圓心的凈力(向心力)就已經足夠,實在不需要什么「離心力」。

            但另一方面,我們也不能否認當車子轉彎時,真的像有被「拋出」的感覺,這又是怎么一回事呢?

            我們想像車子里的一顆紅球,因車子轉彎但車上的紅球因為慣性而繼續走直線,從地面描述圓周運動,不存在什么「離心力」,人們有被拋出的感覺實際是「慣性,inertia」造成。

             

            若從加速當中的車子來觀看運動,情況不一樣,物理學稱一個加速的觀察者為一個「非慣性參考系統,noninertial frame of reference」。

            但牛頓***律不適用于非慣性系統,車 A 受力 F 作用,力造成加速 a=\frac{F}{m} ,而方塊 B 則不受任何力作用。

            所以在路面上,靜止的乙所看到的景象是,A 因力 F 作用,所以加速,而 B 靜止,因它沒有受(凈) 力作用。

            但在車 A 內的乘客甲看到的卻不是這樣,A 受力 F 作用,但它是靜止,雖然 B 沒有受凈力作用,但它卻以加速度 a 往反方向加速。

            很明顯的,甲看見的**是受力的物體 A 不加速;不受力的物體 B 加速,所以甲看到的**不滿足牛頓運動***律。

             

            為了牛頓力學仍然*適用于非慣性系統,物理學引入了「假力,pseudo-force」:從一加速為 a 的非慣性系統來描述某物體的運動,只要「想像」該物體多受一個 -ma 的力作用(m 是該物體的質量,負是表示相反方向),那牛頓***律 F = ma 仍然正確。在引入了假力后,上例中的甲就會這樣描述:A 是靜止,因為 F F' 抵消,B 向后加速,因它受 F" 作用。

             

             

            離心力*以說是來源于對圓周運動的物體的慣性效應的描述。

            假設一個平面慣性系 S ,以及一個在平面內繞過某點 O 的軸 z 以角速度 \vec\omega 勻速旋轉的質點,并有一個相對于與之同軸同角速度旋轉的參考系 S'

            S 系中我*以用牛頓*律來完整描述質點在經典力學范圍內的動力學情況:設質點受力為 \vec F ,質量 m , S 系測得線加速度為 \vec a ,則有 \vec F=m\vec a=-m\omega^2\vec r 。

            現在考慮非慣性系 S' 。在其中觀察該質點為靜止狀態,而在牛頓力學中被認為是一個參考系不變量,因此很顯然地,在非慣性系 S' 中,牛頓*律不成立。

            出于方便計算等原因,我們希望能通過一些手段來至少是形式上地保持牛頓***律的成立性,這就是慣性力被引入的動機。在系 S' 中,觀察者會認為,為了平衡掉上述的向心力 \vec F=-m\omega^2\vec r ,就應當存在一個與之反向等大的” \vec F_c=m\omega^2\vec r 。它的作用效果是使得質點遠離轉動中心點 O ,因此命名為離心力。

            事實上,慣性離心力的存在與否并不一*要求質點相對于某慣性系做圓周運動。原則上,只要存在一個“在平面內繞過某點 O 的軸 z 以角速度 \vec\omega 勻速旋轉的非慣性系 S',那么就*以*義一個任何質點都會受到的慣性力 \vec F_c=m\omega^2\vec r 并稱之為離心力。

            離心力的本質是代表了物體慣性在圓周運動中的表現,這種慣性體現為使得物體具有一個遠離旋轉中心的趨勢,有時候我們會稱之為“離心效應”。

            只不過在這種情形下,物體通常還會受到其他種類的慣性力,例如所謂“科里奧利力”。*終總的效果仍然是保持牛頓***律的形式成立性。


            滬公網安備 31011502007543號

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