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消失的重力

2000多年前,亚里士多德写道:“盛水的容器在旋转时,水不会洒出来,哪怕容器底部朝上,结果也是不变的,因为旋转会阻止水流出。”图28生动地向我们展示了这个实验。很多读者应该都对这个场景感到熟悉,如果按照图中的方式,以足够快的速度旋转盛水的水桶,即使把桶掀个底朝天,水也不会流出来。

图28 为什么水不会洒出来

人们通常解释这种现象是由离心力所致。离心力是一种想象中的力,人们认为它施加于物体上,物体受到它的作用就会脱离旋转轴心。事实上,离心力并不存在,物体之所以脱离旋转轴是因为惯性的作用,而任何由惯性引起的运动,都不需要力的推动。物理学家认为,离心力是旋转中的物体对系绳的拉力或是其曲线轨道上的压力。这个力不是施加在运动的物体上,而是施加在阻碍物体做直线运动的障碍物上,比如,绳子和弯曲的轨道等。

在这里,我们不去求助于离心力这一模棱两可的概念,而是将注意力重新放到旋转的水桶上,来找一找产生这一现象的原因。首先,我们问自己这样一个问题:假如在桶上凿一个洞,水会从哪个方向流出?如果没有重力,这股水在惯性的作用下会沿着圆周 AB 的一条切线 AK 流出(图28)。但水流会受到重力的影响,沿着曲线 AP 流下。倘若圆周速度足够大,曲线就会位于圆周 AB 之外。通过这股水流我们可以得知,假如去掉桶壁,桶里的水会按照什么路线流动。现在我们已经知道,水流的方向不是竖直向下的,因此不会直接泼到地上。只有当桶口与桶旋转的方向保持一致时,水才会泼出来。

现在我们来计算一下,以什么样的速度旋转水桶,水才不会泼出来。理论上来说,旋转水桶的离心加速度不低于重力加速度,桶中的水流动的路线才会落在桶的圆周轨迹之外,这样,无论水桶转向哪里,水都不会从桶中泼出来。

计算离心加速度的公式是:

v 代表圆周速度, R 代表圆形轨迹的半径。因为地球表面的重力加速度 g =9.8米/二次方秒,所以我们得到不等式:

假设R=70厘米,那么:

不难算出,如果我们每秒将绳子转1.5圈,就可以达到足够大的圆周速度。这对我们而言简直轻而易举,做这个实验不存在什么困难。

如果容器围绕水平轴旋转,液体会压在容器壁上,利用这种特性人们发明了离心浇铸法。它的原理是,非均质的液体会按照成分的比重产生不同的层次,比重较大的成分远离旋转轴,比重较小的成分接近旋转轴。如此一来,熔融金属中的气体就会释放出来,跑进铸件的气孔中。通过这种方法铸造的铸件坚固密实,不含气孔,而且不需要复杂的仪器设备,成本也比普通的压铸法更低。 y4CipE3wN/q7Yv7pfHf05aw7eyLhxOOE4q40AsHGK+cuRhbVjcWUe8OgGIcKs/xj

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