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离心力不是惯性力

投稿时间:2018-02-08 11:19 投稿人:王孝恩 【字号: 访问量:

由于千百年来地心说的影响,今天交通运输最为重要的车轮转动运动竟被牛顿第一定律的狭义表述拒之门外。一方面将轮转运动及其惯性人为地列为非惯性系的范畴。另一方面,近几十年来也把离心力(Centrifugal force)强扯为惯性力。为此我已撰文投稿本栏目。

惯性是物体的一种性质,并不是力,惯性本身也不产生力,惯性力之说本身就欠妥。

真实的惯性参考系在宇宙中是不存在的。在物理学上,潜在地受历史上地心说的影响,人们开始先假设地面是静止的,或者在不太长的距离中把地面运动视为匀速直线运动,从而得到了一个虚构的、或者说近似的惯性参考系。牛顿就是首先在这样的前提下总结出了运动定律。然而,近代物理学家仍然使用这样一个根本就不存在的参考系,进行准确和严谨的众多物理量的定义和讨论,怎么不会误入歧途。爱先生的前半生也是误入了这个圈套,当他完成了狭相之后,才发现了问题,于是他后半生开始研究广相。他被逼进了断了缆绳的电梯,试图获得那个虚构的参考系。岂不知在电梯下降过程中,地球仍在自转,即使电梯以自由落体下降,也难以得到真正的惯性参考系。

物体静止有惯性,运动也有惯性。在“力”之前冠以“惯性”二字,似乎表明的就是此种力与运动无关。然而恰恰相反,离心力就是与运动有关。速度对离心力的影响特别大,因此离心力是难以用惯性来描述的。

也许有人会说,因为运动才有,不运动就没有,并且不是由其它物体施加给的,所以只能算是一种虚构的力,因此离心力不存在,其现象可用惯性力来代替。错也,运动物体本身能产生力已经是常识,例如撞击力。小行星撞击地球,产生的巨大的撞击力能叫惯性力吗?飞行的子弹穿透物体,也叫惯性力吗?有质量的物体运动时本身就具有了动量,与其它物体作用时,会产生冲量。根据牛顿第三定律,飞机撞上大楼,大楼虽然固定没有动,同样对飞机造成破坏力。为什么人们不说是飞机的惯性力与大楼的惯性力发生了作用?为什么偏偏将离心力改名为惯性力呢?

还有资料说,离心力不存在,其实质就是向心力或惯性力[1]。我认为刚好相反,离心力是实实在在的一种力,是一种不能用其它力代替的力。而向心力刚好是一种虚构的力,它是一种完全可以找到其它根源的力。例如,地球卫星受到的向心力就是地球引力(重力),刚好卫星运动产生的离心力与地球引力平衡。我们在地面上随地球自转,受到的向心力只是地球引力的一部分,只是用于对抗离心力的那一部分。所以,我们说,向心力才是虚构的,实际不能单独存在的,为了形象地表述某些曲线运动,把所有指向运动曲率半径的反方向的那些力中,用于对抗离心力的那一部分力,形象化地称为向心力。向心力不是一种独立存在的力,它的大小只能通过离心力公式来计算。

离心力与惯性力从历史上就存在着纠葛,我在大学读物理学时,学到的就是离心力、转动惯量、角动量、向心加速度等概念。可后来这些年,在众多学者的议论中离心力就变成了惯性力。究其原因,原来离心力与轮转的惯性现象竟到了难辩真假的程度。原来的轮转运动都没有享受到惯性的名份,从转轮边缘甩下来改为切向运动的小不点所受的力,却有了惯性力的待遇。我们可以分析这个小不点的来历,如图-1所示,它在脱离轮子的边缘之前,并不是从轮子的切线所在的直线方向上而来,也就是说,它原来并不是在作匀速直线运动,也不是静止,它从切点开始才转为切线方向,怎么就成了保持原来运动状态的惯性呢?

离心力不是一种虚构的力,虚构的力不会产生实际的力学结果。离心力产生实际力学结果的例子很多。本作者就以离心力为理论基础对潮汐成因提出了新的解释[2]。

无论汽油机还是柴油机,所有燃油或燃气马达,都有一油门或气门的自控装置。如图-2所示,这种装置是一种离心力原理。当马达的转速快了时,产生的离心力大,转锤离轴半径增大,通过菱形传动装置缩短轴向高度,带动油门拉杆将油门调小。反之,当马达速度减小时,离心力减小,转锤的离轴半径减小,通过拉杆将油门推大。总之,通过转锤转动产生的离心力自动调控着油门使马达的速度能保持恒定。

地球表面各质点随地球自转产生的离心力的方向都是垂直于地轴且向外的,而重力都是指向地心的。如图-3所示,在同一经线上的不同纬度的地区,随地球自转的转动半径不同。若地球的平均半径为R,A点的纬度为θ,自转角速度用ω表示,那么A点的绕地轴的转动半径r = R cosθ,在A点质点m产生的离心力为:

F= m ω2 R cosθ         (1)

并且F在水平面上朝向赤道方向上的分量可用下式求得:

f=F sinθ = m ω2 R cosθ sinθ         (2)

除赤道外地球上的每一点处的离心力在地平面上都有一指向赤道的不为零的分量f,将部分海水从两极开始推向赤道附近,直到赤道附近水面升高的高度所产生的水压差与离心力分量达平衡为止。由于海平面就是地球形状的界面,所以地球成为了赤道胖而轴向被压缩的椭球状。

科里奥利力(地转偏向力)也是地球自转离心力与角动量守恒的共同杰作。

1835年,法国工程师、数学家科里奥利(G. G. Coriolis,1792-1843)发现了一个非常有规律且有趣的现象:在水平方向上运动的气流或水流,在北半球向右偏转,而在南半球则向左偏转。通常认为是由不同纬度的地球自转线速度的差异造成的。后来将这种作用力命名为科里奥利力[3]。如果地球是一个转动的圆柱体,在柱面上就不会产生这些现象,但地球表面是一个球面。还如图-3所示,除了赤道外,地球自转产生的离心力都不与重力在同一直线上。它在水平面上指向赤道方向上的分量,使得地面上的气体、液体或固体的所有一切物体都有被拉向赤道的趋势,如图-4所示。这种使物体沿水平面向赤道方向运动的趋势中,越靠近赤道,地球自转半径越大,由于角动量守恒,质点从小的自转半径向大半径的转移中,线速度会有减小的趋势,落后于地球的自转,也就是说会有向西偏移的趋势。这两种趋势都是越靠近赤道越大,并且一个作水平运动的物体,它的南、北两边所受到的这种力的大小不同。虽然都向赤道偏移,但靠近赤道的那一边所受到的向西的力总是大些,远离赤道的那一边受到的向西的力总是小些。当物体一边走的快,另一边走的慢时,必然产生旋转。这种旋转在北半球和南半球刚好方向相反。于是就产生了大家所说的地转偏向力。

综上所述,我认为离心力是真实存在的一种力,它与物体的惯性现象密切,但不是惯性,不能叫做惯性力,也不是向心力的反作用力。为此,建议把离心力定义为:

物体做曲线运动时产生的、能使物体趋向于直线运动的、与物体运动方向垂直且与曲率半径方向相同的力,叫做该物体曲线运动的离心力。

离心力的大小与运动物体的质量m及瞬时线速度υ的平方成正比,与曲率半径r成反比,即

F= mυ2/r       (3)

直线运动只是曲率半径趋于无穷大时的一种特例。根据爱先生的广相理论,空间都是弯曲的。因此,沿弯曲空间运动的物体产生离心力是一种普遍现象。

离心力的存在以及对离心力特性的研究具有重要的物理学意义。除了目前尚未搞清楚的宇宙暗能量以外,离心力是物体之间能抵抗万有引力和电磁力的唯一的作用力。若没有离心力的存在,宇宙的天体会收缩会聚到一起,构成所有物质的原子也会迅速坍塌;若没有它,由内旋产生的电荷也会消失。离心力函数项很可能就是爱先生的宇宙学方程的宇宙常数项中的最为重要的因子,因为它能使宇宙防止收缩而趋于稳定。

对离心力更广泛深入的研究,有可能促使宇宙物理学与量子力学的统一。相关内容将另笔专论。

 

参考文献:

1、  百度百科-自然科学:离心力。

2、  王孝恩 潮汐成因探析. 中科院科学智慧火花  20170414.

3、  陶世龙、万天丰、程捷,《地球科学概论》,地质出版社,1999,38页.