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解讀離心力

在生活之中，我們常常會(huì)如此描述：某種東西受到「離心力」的作用而被甩出去。比如滾筒洗衣機(jī)中的水、轉(zhuǎn)彎車輛中的人、離心機(jī)的試劑等等。但當(dāng)我們?cè)噲D用牛頓力學(xué)去對(duì)其進(jìn)行受力分析是，卻發(fā)現(xiàn)一個(gè)詭異的現(xiàn)象。

例如，在經(jīng)典的小球繞圓心O作勻速圓周運(yùn)動(dòng)體系中，處于體系內(nèi)的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)小球與圓心處于一個(gè)相對(duì)靜止的狀態(tài)。根據(jù)牛頓第一定律，小球沒有任何外力施加或所施加的外力之和為零。另有一處在地面上的觀察者，則可以看到小球在繞圓心作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，并由此得出繩子的張力F=離心力=mv^2/r=mw^2*r。兩者大小相同，且方向相反。有趣的是，當(dāng)我們?cè)噲D用牛頓第三定律去分析這個(gè)系統(tǒng)中的力的相互作用關(guān)系式是，往往會(huì)陷入一座邏輯的迷宮——在體系外觀察者視角下，分不清施力源和力的作用對(duì)象以及相互作用力之間的關(guān)系。

小球繞一個(gè)圓心O作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)

不同于電磁力和引力，離心力的大小會(huì)隨著觀察者選取的參考系的變化而變化。那么什么是參考系呢？我們知道運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的，觀察者判斷一個(gè)物體是否在運(yùn)動(dòng)是需要選取一個(gè)比較對(duì)象，這個(gè)比較對(duì)象就是參考系。而參考系分兩種，一種是慣性系，另一種是非慣性系。

慣性系顧名思義，就是符合慣性定律的參考系，即物體在其中維持其慣性狀態(tài)——如果物體不受外力作用或者所受合外力為0，則保持自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。受主觀直覺影響，人們常常把自己周圍的環(huán)境當(dāng)作慣性參考系。

而非慣性系，就是不符合慣性定律的，相對(duì)于慣性系，自身有加速度的參考系。比如上面提到的小球繞圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。一個(gè)簡(jiǎn)單的辦法是，我們可以通過有無慣性力來區(qū)分慣性系和非慣性系。那么什么是慣性力呢？

例如，在加速行駛的列車中，車上的小球會(huì)自發(fā)的加速向車尾運(yùn)動(dòng)。此是，車內(nèi)的觀察者注意到小球在加速，在車內(nèi)卻找不到施力源。但從全局來看，小球相對(duì)于列車有加速度，列車相對(duì)于地面有加速度，這兩個(gè)加速度大小相同，方向相反。小球的加速度恰好抵消了列車的加速度，使得小球在車內(nèi)保持了慣性狀態(tài)。

由上面這個(gè)例子我們可以看出：在非慣性系中，物體的加速度是源于物體的慣性，或者說物體自身質(zhì)量對(duì)于非慣性系加速度的抗性；也就是在慣性系中，慣性質(zhì)量對(duì)于自身加速度的抗性。更形象的說，慣性實(shí)際上是物體自身的惰性，總是在阻止自身運(yùn)動(dòng)變化的發(fā)生。

因此，在非慣性系中，物體加速的施力源就是慣性質(zhì)量，所以這個(gè)力（在上述例子中的F*）被稱為慣性力。并且根據(jù)上面的描述，慣性質(zhì)量越大，處于非慣性系中的物體所受的慣性力也就會(huì)越大。同理在小球繞圓心做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)中，我們發(fā)現(xiàn)小球所受的離心力F也有這樣的特性，因此離心力也是慣性力的一種。

為什么在牛頓力學(xué)中，慣性力又被認(rèn)為是「虛擬力」呢？

在宏觀上，因?yàn)榉菓T性系的受力和加速度是真實(shí)的，慣性力的效果是真實(shí)存在的。但同是，慣性力產(chǎn)生的源頭并不是由于物體的相互作用，而是來自物體固有的慣性屬性，所以看起來不像引力、電磁力一樣能找到施力源。

另外，慣性力的效果就像是參考系本身的運(yùn)動(dòng)，由于慣性質(zhì)量的存在，對(duì)其內(nèi)部事物產(chǎn)生影響的體現(xiàn)。從定量的角度來說，為了使牛頓第二定律仍然能夠用于描述非慣性系中的運(yùn)動(dòng)，平衡非慣性系受到的真實(shí)力，引入了一系列虛擬力——包括科里奧利力，離心力和歐拉力。

在宏觀低速的條件下，使用等效原理來抵消非慣性系影響，可以幫助我們分析離心現(xiàn)象并加以應(yīng)用。比如可以分開比重不同的固體或液體的離心機(jī)，它們廣泛應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)和科學(xué)研究等方面，從選礦、選種，到從牛乳中分出奶油，甚至是分離鈾同位素、測(cè)定高分子溶膠中分子量。

在生活中，一個(gè)非常經(jīng)典的例子就是大家從小都熟悉的棉花糖機(jī)。機(jī)器的中心部位是一個(gè)溫度很高的加熱腔，蔗糖被加入后會(huì)變成糖漿。加熱腔壁上有一些尺寸小于蔗糖顆粒的孔。當(dāng)糖漿在加熱腔中高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，就會(huì)隨著離心現(xiàn)象從小孔中被拋出到棉花糖機(jī)大碗的周圍，再凝固成固態(tài)的糖絲。

在更進(jìn)一步發(fā)展中，人們開始結(jié)合流體力學(xué)與離心力的研究成果，通過人為制造氣壓差，將需要分離的含雜質(zhì)的流動(dòng)相，送入氣旋內(nèi)。質(zhì)量較大的顆粒被拋向外圍并與容器內(nèi)壁激烈碰撞，并掉落到底部；小質(zhì)量的顆粒則順著中心上升的氣流離開容器。