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            離心力不是慣性力 天文地理

            天文地理小雪供稿

              由于千百年來地心說的影響,今天交通運輸最為重要的車輪轉(zhuǎn)動運動竟被牛頓第一定律的狹義表述拒之門外。一方面將輪轉(zhuǎn)運動及其慣性人為地列為非慣性系的范疇。另一方面,近幾十年來也把離心力(Centrifugal force)強扯為慣性力。

              慣性是物體的一種性質(zhì),并不是力,慣性本身也不產(chǎn)生力,慣性力之說本身就欠妥

              真實的慣性參考系在宇宙中是不存在的。在物理學上,潛在地受歷史上地心說的影響,人們開始先假設地面是靜止的,或者在不太長的距離中把地面運動視為勻速直線運動,從而得到了一個虛構(gòu)的、或者說近似的慣性參考系。牛頓就是首先在這樣的前提下總結(jié)出了運動定律。然而,近代物理學家仍然使用這樣一個根本就不存在的參考系,進行準確和嚴謹?shù)谋姸辔锢砹康亩x和討論,怎么不會誤入歧途。愛先生的前半生也是誤入了這個圈套,當他完成了狹相之后,才發(fā)現(xiàn)了問題,于是他后半生開始研究廣相。他被逼進了斷了纜繩的電梯,試圖獲得那個虛構(gòu)的參考系。豈不知在電梯下降過程中,地球仍在自轉(zhuǎn),即使電梯以自由落體下降,也難以得到真正的慣性參考系。

              物體靜止有慣性,運動也有慣性。在“力”之前冠以“慣性”二字,似乎表明的就是此種力與運動無關(guān)。然而恰恰相反,離心力就是與運動有關(guān)。速度對離心力的影響特別大,因此離心力是難以用慣性來描述的。

              也許有人會說,因為運動才有,不運動就沒有,并且不是由其它物體施加給的,所以只能算是一種虛構(gòu)的力,因此離心力不存在,其現(xiàn)象可用慣性力來代替。錯也,運動物體本身能產(chǎn)生力已經(jīng)是常識,例如撞擊力。小行星撞擊地球,產(chǎn)生的巨大的撞擊力能叫慣性力嗎?飛行的子彈穿透物體,也叫慣性力嗎?有質(zhì)量的物體運動時本身就具有了動量,與其它物體作用時,會產(chǎn)生沖量。根據(jù)牛頓第三定律,飛機撞上大樓,大樓雖然固定沒有動,同樣對飛機造成破壞力。為什么人們不說是飛機的慣性力與大樓的慣性力發(fā)生了作用?為什么偏偏將離心力改名為慣性力呢?

              還有資料說,離心力不存在,其實質(zhì)就是向心力或慣性力[1]。我認為剛好相反,離心力是實實在在的一種力,是一種不能用其它力代替的力。而向心力剛好是一種虛構(gòu)的力,它是一種完全可以找到其它根源的力。例如,地球衛(wèi)星受到的向心力就是地球引力(重力),剛好衛(wèi)星運動產(chǎn)生的離心力與地球引力平衡。我們在地面上隨地球自轉(zhuǎn),受到的向心力只是地球引力的一部分,只是用于對抗離心力的那一部分。所以,我們說,向心力才是虛構(gòu)的,實際不能單獨存在的,為了形象地表述某些曲線運動,把所有指向運動曲率半徑的反方向的那些力中,用于對抗離心力的那一部分力,形象化地稱為向心力。向心力不是一種獨立存在的力,它的大小只能通過離心力公式來計算。

              離心力與慣性力從歷史上就存在著糾葛,我在大學讀物理學時,學到的就是離心力、轉(zhuǎn)動慣量、角動量、向心加速度等概念??珊髞磉@些年,在眾多學者的議論中離心力就變成了慣性力。究其原因,原來離心力與輪轉(zhuǎn)的慣性現(xiàn)象竟到了難辯真假的程度。原來的輪轉(zhuǎn)運動都沒有享受到慣性的名份,從轉(zhuǎn)輪邊緣甩下來改為切向運動的小不點所受的力,卻有了慣性力的待遇。我們可以分析這個小不點的來歷,如圖-1所示,它在脫離輪子的邊緣之前,并不是從輪子的切線所在的直線方向上而來,也就是說,它原來并不是在作勻速直線運動,也不是靜止,它從切點開始才轉(zhuǎn)為切線方向,怎么就成了保持原來運動狀態(tài)的慣性呢?

              離心力不是一種虛構(gòu)的力,虛構(gòu)的力不會產(chǎn)生實際的力學結(jié)果。離心力產(chǎn)生實際力學結(jié)果的例子很多。本作者就以離心力為理論基礎對潮汐成因提出了新的解釋[2]。

              無論汽油機還是柴油機,所有燃油或燃氣馬達,都有一油門或氣門的自控裝置。如圖-2所示,這種裝置是一種離心力原理。當馬達的轉(zhuǎn)速快了時,產(chǎn)生的離心力大,轉(zhuǎn)錘離軸半徑增大,通過菱形傳動裝置縮短軸向高度,帶動油門拉桿將油門調(diào)小。反之,當馬達速度減小時,離心力減小,轉(zhuǎn)錘的離軸半徑減小,通過拉桿將油門推大。總之,通過轉(zhuǎn)錘轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力自動調(diào)控著油門使馬達的速度能保持恒定。

              地球表面各質(zhì)點隨地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力的方向都是垂直于地軸且向外的,而重力都是指向地心的。如圖-3所示,在同一經(jīng)線上的不同緯度的地區(qū),隨地球自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動半徑不同。若地球的平均半徑為R,A點的緯度為θ,自轉(zhuǎn)角速度用ω表示,那么A點的繞地軸的轉(zhuǎn)動半徑r = R cosθ,在A點質(zhì)點m產(chǎn)生的離心力為:

              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點處的離心力在地平面上都有一指向赤道的不為零的分量f,將部分海水從兩極開始推向赤道附近,直到赤道附近水面升高的高度所產(chǎn)生的水壓差與離心力分量達平衡為止。由于海平面就是地球形狀的界面,所以地球成為了赤道胖而軸向被壓縮的橢球狀。

              科里奧利力(地轉(zhuǎn)偏向力)也是地球自轉(zhuǎn)離心力與角動量守恒的共同杰作

              1835年,法國工程師、數(shù)學家科里奧利(G. G. Coriolis,1792-1843)發(fā)現(xiàn)了一個非常有規(guī)律且有趣的現(xiàn)象:在水平方向上運動的氣流或水流,在北半球向右偏轉(zhuǎn),而在南半球則向左偏轉(zhuǎn)。通常認為是由不同緯度的地球自轉(zhuǎn)線速度的差異造成的。后來將這種作用力命名為科里奧利力[3]。如果地球是一個轉(zhuǎn)動的圓柱體,在柱面上就不會產(chǎn)生這些現(xiàn)象,但地球表面是一個球面。還如圖-3所示,除了赤道外,地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力都不與重力在同一直線上。它在水平面上指向赤道方向上的分量,使得地面上的氣體、液體或固體的所有一切物體都有被拉向赤道的趨勢,如圖-4所示。這種使物體沿水平面向赤道方向運動的趨勢中,越靠近赤道,地球自轉(zhuǎn)半徑越大,由于角動量守恒,質(zhì)點從小的自轉(zhuǎn)半徑向大半徑的轉(zhuǎn)移中,線速度會有減小的趨勢,落后于地球的自轉(zhuǎn),也就是說會有向西偏移的趨勢。這兩種趨勢都是越靠近赤道越大,并且一個作水平運動的物體,它的南、北兩邊所受到的這種力的大小不同。雖然都向赤道偏移,但靠近赤道的那一邊所受到的向西的力總是大些,遠離赤道的那一邊受到的向西的力總是小些。當物體一邊走的快,另一邊走的慢時,必然產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。這種旋轉(zhuǎn)在北半球和南半球剛好方向相反。于是就產(chǎn)生了大家所說的地轉(zhuǎn)偏向力。

              綜上所述,我認為離心力是真實存在的一種力,它與物體的慣性現(xiàn)象密切,但不是慣性,不能叫做慣性力,也不是向心力的反作用力。為此,建議把離心力定義為:

              物體做曲線運動時產(chǎn)生的、能使物體趨向于直線運動的、與物體運動方向垂直且與曲率半徑方向相同的力,叫做該物體曲線運動的離心力。

              離心力的大小與運動物體的質(zhì)量m及瞬時線速度υ的平方成正比,與曲率半徑r成反比,即

              F= mυ2/r (3)

              直線運動只是曲率半徑趨于無窮大時的一種特例。根據(jù)愛先生的廣相理論,空間都是彎曲的。因此,沿彎曲空間運動的物體產(chǎn)生離心力是一種普遍現(xiàn)象。

              離心力的存在以及對離心力特性的研究具有重要的物理學意義。除了目前尚未搞清楚的宇宙暗能量以外,離心力是物體之間能抵抗萬有引力和電磁力的唯一的作用力。若沒有離心力的存在,宇宙的天體會收縮會聚到一起,構(gòu)成所有物質(zhì)的原子也會迅速坍塌;若沒有它,由內(nèi)旋產(chǎn)生的電荷也會消失。離心力函數(shù)項很可能就是愛先生的宇宙學方程的宇宙常數(shù)項中的最為重要的因子,因為它能使宇宙防止收縮而趨于穩(wěn)定。

              對離心力更廣泛深入的研究,有可能促使宇宙物理學與量子力學的統(tǒng)一。相關(guān)內(nèi)容將另筆專論。

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