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离心力与向心力
这两种与圆周运动相关的力很容易让人混淆

离心力在我们的日常生活中无处不在,但它真的和我们理解的一样吗?我们驾驶汽车转弯或飞机转弯时,会体验到离心力。洗衣机转筒旋转或乘坐旋转木马时,我们也能看到它的作用。有朝一日,离心力甚至可能为宇宙飞船和空间站提供人工重力。离心力经常与它的“好兄弟”向心力相混淆,因为二者关系是如此密切,就像是一枚硬币的两面。

向心力是使物体在弯曲路径上运动所必需的力,方向向内指向旋转中心;离心力是物体在弯曲的路径上运动所感受到的虚拟力,方向向外远离旋转中心。向心力是一种实际存在的力,而离心力则被定义为一种假想力。换句话说,当把一块物体系在绳子上旋转时,绳子对物体确实施加了一个向内的向心力,而物体好像对绳子施加了一个向外的离心力。

离心力和向心力是等大小的力,只是方向不同。如果你从外部观察一个旋转系统,会看到一个向内的向心力在作用,把旋转体限制在一个圆形的路径上。如果你身处旋转系统之内,会体验到一个明显的离心力把你推离旋转圆周的中心,尽管你实际感受到的是向心力,它使你不至沿着切线飞离。

牛顿的运动定律描述了这种看着好像存在的外力。牛顿第一定律指出,除非受到外力的作用,一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态。如果一个大质量的物体在空间中沿直线运动,惯性将使它保持直线运动,除非有外力使它加速、减速或改变方向。为了使它在不改变速度的情况下沿着圆周运动,必须在与它的运动路径成直角的方向持续施加一个向心力。

牛顿第三定律指出,两个物体互相作用时,彼此施加于对方的力大小相等、方向相反。就像在重力作用下你对地面施加一个力的同时,地面似乎也对你的脚施加了一个等大的反向力;坐在一辆加速的汽车里,你对座椅施加了一个向后的力的同时,座椅也对你施加了一个向前的力。旋转系统中,向心力将物体向内拉,以使其遵循圆周路径,而物体由于其惯性,似乎在被向外推。这些情境中都只有一个真实的力,而另一个只是一个虚拟的力。

掷球者利用向心加速度来投掷金属球。

① 向心力

向心力一种将物体拉向圆心的力。

② 速度

当一个物体的速度与所受力(如绳子上的张力)的方向垂直时,物体将沿着圆周运动。

③ 加速

物体向圆心靠近,向心力就会增加。

④ 离心力

这是物体旋转时产生的远离圆心的力。

⑤ 切线方向

如果保持物体旋转的力被破坏,如切断牵引小球的绳子,物体将沿着切线方向运动。

⑥ 惯性

根据牛顿第一定律,除非受到其他力的作用,如弹簧的张力、路面的摩擦力或重力的反作用力拉力,否则物体将一直沿直线运动。

实验室离心机从血液中分离出不同成分大约需要15分钟。

旋转血液标本

实验室离心机利用向心力来加快悬浮在液体中的颗粒的沉淀。这项技术常用于准备待分析的血液标本。正常的重力作用下,热运动会造成血液成分持续混合,从而阻碍血细胞从整个血样中沉淀出来。而一台常规的离心机可以提供正常重力加速度的600~2000倍,使沉重的红血球沉淀在底部,并将血液中的各种成分按其密度分层。 aKtYexajIWGsB/UEWuLHPLaM30DjEGhLRhWrqFe0uX2tI8e5CZRmuz2sxQRgHDuk

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