問(wèn)祖歸宗：科技前沿離心機(jī)的核心概念 —“不存在的力”

問(wèn)祖歸宗：科技前沿離心機(jī)的核心概念 —“不存在的力"

我們都知道當(dāng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種事物總會(huì)想著將其有效利用，每一次的發(fā)明都會(huì)大大影響人們的生活。

就比如倫琴射線被運(yùn)用于醫(yī)學(xué)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(zhuǎn)的物體遠(yuǎn)離它的旋轉(zhuǎn)中心，而它并不存在，只是被用于理解一種現(xiàn)象的發(fā)生，而實(shí)際上是多個(gè)力在作用。

如果要找出假設(shè)的來(lái)源，理所當(dāng)然應(yīng)*拉格朗日的力學(xué)公式對(duì)其描述和理解。

所以若是說(shuō)離心力是誰(shuí)假設(shè)的，是笛卡爾、牛頓、伽利略亦或是誰(shuí)，我們并不知情。

要談到離心力，就得先從牛頓第二定律開始談起。

慣性離心力是勻速旋轉(zhuǎn)參考系中，為了形式上保持牛頓第二定律的形式，而引入的一類虛擬力。

在牛頓力學(xué)里，離心力曾被用于表述兩個(gè)不同的概念：在一個(gè)非慣性參考系下觀測(cè)到的一種慣性力，向心力的平衡。在拉格朗日力學(xué)下，離心力有時(shí)被用來(lái)描述在某個(gè)廣義坐標(biāo)下的廣義力。

從定義上，「離心力，centrifugal force」是一種假力，從牛頓力學(xué)而言，描述圓周運(yùn)動(dòng)只需向著圓心的凈力（向心力）就已經(jīng)足夠，實(shí)在不需要什么「離心力」。

但另一方面，我們也不能否認(rèn)當(dāng)車子轉(zhuǎn)彎時(shí)，真的像有被「拋出」的感覺(jué)，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(zhuǎn)彎但車上的紅球因?yàn)閼T性而繼續(xù)走直線，從地面描述圓周運(yùn)動(dòng)，不存在什么「離心力」，人們有被拋出的感覺(jué)實(shí)際是「慣性，inertia」造成。

若從加速當(dāng)中的車子來(lái)觀看運(yùn)動(dòng)，情況不一樣，物理學(xué)稱一個(gè)加速的觀察者為一個(gè)「非慣性參考系統(tǒng)，noninertial frame of reference」。

但牛頓第二定律不適用于非慣性系統(tǒng)，車 A 受力 F 作用，力造成加速 a=\frac ，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(méi)有受（凈） 力作用。

但在車 A 內(nèi)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(méi)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(jiàn)的世界是受力的物體 A 不加速；不受力的物體 B 加速，所以甲看到的世界不滿足牛頓運(yùn)動(dòng)第二定律。

為了牛頓力學(xué)仍然可適用于非慣性系統(tǒng)，物理學(xué)引入了「假力，pseudo-force」：從一加速為 a 的非慣性系統(tǒng)來(lái)描述某物體的運(yùn)動(dòng)，只要「想像」該物體多受一個(gè) -ma 的力作用（m 是該物體的質(zhì)量，負(fù)是表示相反方向)，那牛頓第二定律 F = ma 仍然正確。在引入了假力后，上例中的甲就會(huì)這樣描述：A 是靜止，因?yàn)?span> F 與 F' 抵消，B 向后加速，因它受 F" 作用。

離心力可以說(shuō)是來(lái)源于對(duì)圓周運(yùn)動(dòng)的物體的慣性效應(yīng)的描述。

假設(shè)一個(gè)平面慣性系 S ，以及一個(gè)在平面內(nèi)繞過(guò)某點(diǎn) O 的軸 z 以角速度 \vec\omega 勻速旋轉(zhuǎn)的質(zhì)點(diǎn)，并有一個(gè)相對(duì)于與之同軸同角速度旋轉(zhuǎn)的參考系 S'

在 S 系中我可以用牛頓定律來(lái)完整描述質(zhì)點(diǎn)在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)的動(dòng)力學(xué)情況：設(shè)質(zhì)點(diǎn)受力為 \vec F ，質(zhì)量 m ， S 系測(cè)得線加速度為 \vec a ，則有 \vec F=m\vec a=-m\omega^2\vec r 。

現(xiàn)在考慮非慣性系 S' 。在其中觀察該質(zhì)點(diǎn)為靜止?fàn)顟B(tài)，而“力"在牛頓力學(xué)中被認(rèn)為是一個(gè)參考系不變量，因此很顯然地，在非慣性系 S' 中，牛頓定律不成立。

出于方便計(jì)算等原因，我們希望能通過(guò)一些手段來(lái)至少是形式上地保持牛頓第二定律的成立性，這就是慣性力被引入的動(dòng)機(jī)。在系 S' 中，觀察者會(huì)認(rèn)為，為了平衡掉上述的向心力 \vec F=-m\omega^2\vec r ，就應(yīng)當(dāng)存在一個(gè)與之反向等大的“力" \vec F_c=m\omega^2\vec r 。它的作用效果是使得質(zhì)點(diǎn)遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn) O ，因此命名為“離心力"。

事實(shí)上，慣性離心力的存在與否并不一定要求質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于某慣性系做圓周運(yùn)動(dòng)。原則上，只要存在一個(gè)“在平面內(nèi)繞過(guò)某點(diǎn) O 的軸 z 以角速度 \vec\omega 勻速旋轉(zhuǎn)"的非慣性系 S'，那么就可以定義一個(gè)任何質(zhì)點(diǎn)都會(huì)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(zhì)是代表了物體慣性在圓周運(yùn)動(dòng)中的表現(xiàn)，這種慣性體現(xiàn)為使得物體具有一個(gè)遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的趨勢(shì)，有時(shí)候我們會(huì)稱之為“離心效應(yīng)"。

只不過(guò)在這種情形下，物體通常還會(huì)受到其他種類的慣性力，例如所謂“科里奧利力"。最終總的效果仍然是保持牛頓第二定律的形式成立性。