問祖歸宗：科技前沿離心機(jī)的核心概念 —“不存在的力”

問祖歸宗：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)的來源，理所當(dāng)然應(yīng)*拉格朗日的力學(xué)公式對其描述和理解。

所以若是說離心力是誰假設(shè)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，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實(shí)際是「慣性，inertia」造成。

若從加速當(dāng)中的車子來觀看運(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。

離心力可以說是來源于對圓周運(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，我們希望能通過一些手段來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，有時(shí)候我們會(huì)稱之為“離心效應(yīng)"。

只不過在這種情形下，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。