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离心力

离心力(centrifugal force)是一种使物体远离中心的虚拟力。是非惯性系中“惯性离心力”的简称。其原理是当物体做曲线运动时,该物体内部运动慢的分子会因分子间相互作用力跟着运动快的分子而改变运动状态,这中分子间的延迟效果就体现为离心力,其公式为(为物体的质量,为角速度,为半径)。

离心现象是指当支持一个物体作圆周运动的力减弱或消失时,物体逐渐远离圆心,这种现象可在链球运动、车辆转弯以及天体圆周运动等观察到。在日常生活中离心力的应用常见于洗衣机,水在离心力作用下将衣服中的污垢带走。在工业设备上离心力常用来制造分离液态非均相混合物的机械设备。在航空航天上离心力用来为宇航员制造“人造重力”。在医疗领域利用离心力来分离血小板

定义

离心力是一种虚拟的力,其只存在于非惯性系,是为了将牛顿定律推广到非惯性系上使用而虚拟的一种力,有了这样的虚拟力后除了牛顿第三运动定律外,在牛顿力学中的各种定律、定理在非惯性系上都可以运用。受到大小不变方向时刻改变的向心力,物体会作曲线运动,此时类似有一股力作用在离心方向上,因此称为离心力,离心力在物体受到向心力时才产生,向心力消失离心力也会消失。

正在做匀速圆周运动的物体,在向心力不足或向心力突然消失时,所作的逐渐远离圆心的运动,叫做离心运动。作匀速圆周运动的物体,必须时刻受到向心力的作用,才能使速度的方向不断发生改变,从而维持物体沿圆周运动,根据牛顿第二运动定律(为向心加速度),而(为切向速度),此时物体所需的向心力或;如物体的角速度(或线速度) 增大了,或物体受到的向心力变小,即或,物体则不能维持原有的圆周运动,而是逐渐远离圆心而去;如物体所需要的向心力突然消失,即 F=0,物体会因惯性而以该时刻的速度沿切线方向飞出去,如图所示。

发现历史

在1664一1665年写的《未发表的记事手稿》中,艾萨克·牛顿讨论了在圆形轨道上运动的质点所受的向心力的问题,他假设一个小球在半径为的圆筒内表面上沿着作圆运动,如果圆筒内壁不控制其运动,小球在点或点就会沿切线或飞离出去,如图所示。牛顿分析了小球从a运动到b时,小球反射时对壁的压力(指冲量):小球运动的力(指动量)=,在分析了4词反射的情形后,他得出结论:全部反射力与物体运动的力之比如同全部边长(即周长)对半径之比,即力正比于运动量的改变,这巧妙地得出了“离心力”定律。

后在1669年前,牛顿在《论圆运动》的手稿中,根据惯性原理、自由落体定律和正在他头脑中萌发的牛顿第二运动定律,通过几何分析,得到了他的离心力公式。1673年,荷兰著名的物理学克里斯蒂安·惠更斯摆钟研究中也发现了离心力公式。

原理

当物体做圆周运动时,类似于有一股力作用在离心方向,因此称为离心力,离心力是一种惯性力,其无法找出施力物体,违背了牛顿第三运动定律。当物体做曲线运动时,受到向心力作用,物体内的分子不在保持彼此相对静止,而是由向心力起初作用的一小块分子群拉着后面一连串分子,由于向心力时刻改变,物体内这一连串分子的运动状态也要时刻改变,晚改变的分子会因早改变分子的分子间相互作用力跟着改变运动状态,这个分子间的延迟效果体现为外在的离心力,这用牛顿定律解释不合理,所以衍生出离心力。离心力公式为:,其中为回转物体的质量,为角速度,为回转半径。

离心现象

物体做圆周运动需要一定的向心力,当做圆周运动的物体在向心力减小或突然消失时,物体会做逐渐远离圆心的运动,这种运动叫作离心运动,这种现象叫作离心现象。例如体育上的链球运动,在投链球时,运动员拉着链球的链索,让链球做圆周运动,链球越转越快,这时拉链索的力,就是链球做圆周运动的向心力,而后,运动员突然一松手,向心力消失,链球便沿切线方向飞去,这是链球产生了离心现象。

例如车辆绕弯,当人正在坐车,汽车在弯道上转弯的时候,乘客的身体也跟着一起改变运动方向,但由于惯性乘客的身体会想要保持运动方向不变,继续向前运动,乘客会感觉像有一种外力把身体往车外牵引。

例如天体圆周运动,月球因离心力才能一直围绕地球公转,月球受到地球引力的吸引,会渐渐贴近地球,如没有离心力,月球会离地球越来越近,直到相撞,由于月球始终在做曲线运动,会受到离心力的影响,离心力与地球引力强度相同、互相抵消,因此月球始终与地球保持一定距离进行公转。

产生条件

第一,做圆周运动的物体,由于本身具有惯性,总是想沿着切线方向运动,只是由于向心力作用,使它不能沿切线方向飞出,而被限制着沿圆周运动。第二,当产生向心力的合外力消失,物体便沿所在位置的切线方向飞出去。第三,当提供向心力的合外力不完全消失,而只是小于应当具有的向心力,即合外力不足以提供所需的向心力的情况下,物体沿切线与圆周之间的一条曲线运动,即做逐渐远离圆心的运动。第四,若合外力大于所需的向心力,物体离圆心将越来越近,即为近心运动。

应用

日常生活

离心力洗衣机是把波轮的水流转动和滚筒内的桶转动结合在一起,洗衣机内桶高速旋转产生离心力,衣服在离心力作用下紧贴桶壁,水在离心力作用下高速穿透水流将衣服中的污垢带走。离心力洗衣机不仅能减少磨损还能降低变形,国家标准的洗衣机磨损率为1.5‰,磨损率较低的洗衣机为1‰,而离心力洗衣机的磨损率为0.04‰,还可采用波轮洗涤方式清洗非高档羊毛绒服装。

工业设备

常用离心机的离心惯性力来分离液态非均相混合物的机械设备,主要是从悬浊液中分离出晶体颗粒及纤维状物质,或是从乳浊液中分离出重液和轻液。分离因素(离心加速度与重力加速度之比)是反应离心沉降设备分离性能的重要指标,值越大,离心机分离能力越强。因离心机构造、分离对象及要求的不同,其分离因素的范围液也不同。按照分离因素,离心力可分为常速离心机(,通常为600-1200),高速离心机(=300~50000),超速离心机();按照其操作原理可分为沉降式、过滤式和分离式;根据操作的连续程度可分为间歇式和连续式;还可根据离心机转鼓轴线的方向分为里式离心机和卧式离心机。

航空航天

载人飞船内的一切物体处于失重状态,这种失重状态会妨碍宇航员进行执行观察、实验等人物,因此在宇宙空间站里制造了“人造重力”,使宇航员能在接近日常生活条件下工作。将空间站围绕自身的中心旋转,在离心力的作用下,将空间站内人和物理向环壁挤压,产生近似于地面上的人和物对地面的作用,来产生“人造重力”。

医疗领域

利用大型离心机来分离富含血小板(PRP),以 4170XG离心2分钟,应用角度转子离心机,以 4500rpm 离心2分钟,再用水平摇动悬挂转子离心机以 4000rpmm离心3分钟,离心后的血小板会悬浮血袋上清血浆中,将上去血袋挤于子袋内即可。还可分离浓缩血小板,使用角度式转子离心,以5140XG(5000rpm)离心 5分钟或用水平式转子离心分离用5000XG(4100rpm)离心 5 分钟即可。

类似理论

惯性

任何物体都具有保持原运动状态不改变的性质,如果对一个物体施加外力试图改变其运动状态,那么这个物体会表现出一种阻抗,这个性质就是惯性,即任何物体都具有惯性,这是牛顿第一运动定律,又叫作“惯性定律”。

向心力

物体做匀速圆周运动时,其速度大小不变,速度方向却不断改变,可见它受到了力的作用,由于这个力没有改变物体速度的大小,表明这个力在速度方向上的分力等于零,即它的方向是与速度方向垂直,指向圆心,那么这个力被称作向心力。

参考资料