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解讀離心力

在生活之中，我們常常會如此描述：某種東西受到「離心力」的作用而被甩出去。比如滾筒洗衣機中的水、轉彎車輛中的人、離心機的試劑等等。但當我們試圖用牛頓力學去對其進行受力分析是，卻發現一個詭異的現象。

例如，在經典的小球繞圓心O作勻速圓周運動體系中，處于體系內的觀察者會發現小球與圓心處于一個相對靜止的狀態。根據牛頓第一定律，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動，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，當我們試圖用牛頓第三定律去分析這個系統中的力的相互作用關系式是，往往會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象以及相互作用力之間的關系。

小球繞一個圓心O作勻速圓周運動的系統

不同于電磁力和引力，離心力的大小會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？我們知道運動是相對的，觀察者判斷一個物體是否在運動是需要選取一個比較對象，這個比較對象就是參考系。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——如果物體不受外力作用或者所受合外力為0，則保持自身運動狀態。受主觀直覺影響，人們常常把自己周圍的環境當作慣性參考系。

而非慣性系，就是不符合慣性定律的，相對于慣性系，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動的系統。一個簡單的辦法是，我們可以通過有無慣性力來區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，車上的小球會自發的加速向車尾運動。此是，車內的觀察者注意到小球在加速，在車內卻找不到施力源。但從全局來看，小球相對于列車有加速度，列車相對于地面有加速度，這兩個加速度大小相同，方向相反。小球的加速度恰好抵消了列車的加速度，使得小球在車內保持了慣性狀態。

由上面這個例子我們可以看出：在非慣性系中，物體的加速度是源于物體的慣性，或者說物體自身質量對于非慣性系加速度的抗性；也就是在慣性系中，慣性質量對于自身加速度的抗性。更形象的說，慣性實際上是物體自身的惰性，總是在阻止自身運動變化的發生。

因此，在非慣性系中，物體加速的施力源就是慣性質量，所以這個力（在上述例子中的F*）被稱為慣性力。并且根據上面的描述，慣性質量越大，處于非慣性系中的物體所受的慣性力也就會越大。同理在小球繞圓心做勻速圓周運動的系統中，我們發現小球所受的離心力F也有這樣的特性，因此離心力也是慣性力的一種。

為什么在牛頓力學中，慣性力又被認為是「虛擬力」呢？

在宏觀上，因為非慣性系的受力和加速度是真實的，慣性力的效果是真實存在的。但同是，慣性力產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動，由于慣性質量的存在，對其內部事物產生影響的體現。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動，平衡非慣性系受到的真實力，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象并加以應用。比如可以分開比重不同的固體或液體的離心機，它們廣泛應用在工業、農業和科學研究等方面，從選礦、選種，到從牛乳中分出奶油，甚至是分離鈾同位素、測定高分子溶膠中分子量。

在生活中，一個非常經典的例子就是大家從小都熟悉的棉花糖機。機器的中心部位是一個溫度很高的加熱腔，蔗糖被加入后會變成糖漿。加熱腔壁上有一些尺寸小于蔗糖顆粒的孔。當糖漿在加熱腔中高速旋轉的時候，就會隨著離心現象從小孔中被拋出到棉花糖機大碗的周圍，再凝固成固態的糖絲。

在更進一步發展中，人們開始結合流體力學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的流動相，送入氣旋內。質量較大的顆粒被拋向外圍并與容器內壁激烈碰撞，并掉落到底部；小質量的顆粒則順著中心上升的氣流離開容器。