向心力与离心力

向心力与离心力

为什么铁路和高速公路的转弯处以及赛车场的环形车道的路面，总是外侧高，内侧低?为什么运动员掷铁饼时，迅速旋转身体能使铁饼掷得远?原来，这有两种力在起作用，一种是向内的，一种是向外的。这种内向的力叫向心力，外向的力叫离心力。

向心力从何而来?它是做匀速圆周运动物体受到的外力或外力的合力，这个力或合力的方向指向圆心，在它的作用下，物体沿着圆周运动。所以，向心力也是施力物体对运动物体的一种作用力。没有施力物体，也不会有向心力。

生活中，物体在做匀速圆周运动时受向心力作用的情况很多。例如:儿童坐在转椅上，在水平面上做匀速圆周运动时，作用在儿童身上的重力与支持力平衡，是竖直方向的，与水平方向的圆周运动无关。转椅旋转时，儿童的身体由于惯性会向座椅外侧滑动，并紧紧挤压座椅外侧。于是，座椅外侧对身体的挤压产生一个反作用力，指向圆心方向。这个力就是使儿童沿圆周运动的向心力。

再如，火车的车轮能在高出路面的工字型钢轨上滚滚向前而不越轨一寸，靠的是铁轨对车轮内侧凸起的轮缘的阻挡作用。每一对轮缘正好卡在固定轨距的两条钢轨内侧，使车轮沿着轨道安全行驶。

当火车驶入弯道时，钢轨挤压在轮缘的弹力作用为向心力，使火车转弯。

火车的质量大、速度快，在弯道上行驶时，外轨的内侧面与火车外轮轮缘间的挤压力十分巨大，使得它们的磨损十分严重，而且容易发生脱轨事故。

为解决这一技术问题，铁路工程技术人员巧妙地给弯道设计出外轨高、内轨低的倾斜路基。由于路基的内倾，使火车的重力与钢轨对火车的支持力不在一条直线上，它们的合力就成为火车转弯的向心力，火车就可以顺利地转弯了。

向心力的大小与物体做匀速圆周运动的质量、半径和角速度有关。当角速度不变时，半径越大，所需向心力越大;当角速度不变时，半径越大，所需向心力越小。

做匀速圆周运动的物体，由于受到向心力的作用，也产生加速度，使速度的方向不断变化。加速度的方向与向心力方向相同，因此叫做向心加速度。

向心力的大小要掌握适度。如杂技演出中的“水流星”。如果失掉了向心力，水就会沿切线方向飞去;如果向心力太大，运动速度就要加快，水桶或水碗有可能拉断绳索，远离圆心向外飞去。因此，对速度要求很严。

宇宙飞船绕着地球运动的情况，和“水流星”的运动情况相似。飞船速度过慢，就会跌回地面;飞船速度过快，将会远离地球。那么，飞船的速度达到多大，才能正好绕着地球做圆周运动呢?

地球是球形的，半径是6371公里，每向前走7．9公里，地面就要向里弯4．9米。如果有一个物体在空中飞行，一秒钟能在水平方向飞7．9公里，情况如何呢?尽管它在第一秒内掉下4．9米，但在它飞过的这段路程上，地面也恰好弯下了4．9米，它和地面的距离没有变，从地球上看，它并没有向下落。

所以，它总是在向前飞行，也总是在“下落”，但是总也落不到地面上。这时候，地球对这个物体的引力就正好等于它绕地球做圆周运动的向心力。

向心力定向性强，我们喜爱玩的陀螺就具有这种倔脾气。虽然很尖就是不倒，而且转得越快，稳定性越好。

早期的枪筒和炮筒里都是光溜溜的，子弹打出去会东倒西歪，碰上气流还要翻跟头，打不中目标。后来，人们从陀螺身上得到了启发，在枪筒和炮筒里刻上一道道螺旋形小槽，子弹沿着这一圈圈螺旋线射出以后，就会像陀螺似地打起转来，保持着转轴的方向，不再东倒西歪，因而总是对准目标。子弹击中目标以后，由于惯性，它仍然会旋转，像钻头那样钻进目标，大大提高了命中率和杀伤力。

离心运动则是做圆周运动的物体在向心力减小或消失时，远离圆心而去的运动。这种现象叫离心现象。

离心现象在生活中随处可见。例如，投链球时，运动员拉着链球的链索，让链球做圆周运动，链球越转越快，这时拉链索的力，就是链球做圆周运动的向心力。然后，突然手一松，向心力消失了，链球便沿切线方向飞去。

卫星飞行的水平速度叫第一宇宙速度，即环绕速度。

家用洗衣机的脱水筒是一个多孔金属筒，把洗净的湿衣服放入筒内，当筒高速旋转时，附着在衣服上的水滴由于向心力不足，离开衣服，穿过脱水筒壁的小孔飞出筒外，衣服上的水分几乎就没有了。这就是根据离心现象制成的。

一些离心现象给人以美的享受。例如:体操运动员做单杠大回环离杠下地的瞬间;铁饼、链球飞转后离手的瞬间;高山滑雪、摩托越野、运动员沿着圆弧轨道冲向高台，凌空跃起，沿切线飞出，越过大跨度的空间;飞速旋转的芭蕾舞演员舒展着艳丽的舞裙，如孔雀开屏，美丽动人。

然而，离心现象也会造成危害，须要设法防止。如，车辆急转弯时，容易造成人倒车翻。为防止事故的发生，高速公路转弯处对速度有明确的规定，不许车速太快。工厂中高速旋转的飞轮和砂轮，轮缘部分需要很大的向心力，如果转速过大或轮体有裂痕，离心运动会造成轮子断裂，以很高的速度向外飞散，造成严重事故。因此，特别规定要遵守操作规程，确保生产安全。