什麼是離心力和向心力？定義、特徵和含義

瞭解向心力和離心力之間的主要區別、它們在物理學中的實際應用，以及它們如何影響我們對圓周運動的理解。

向心力和離心力是用來描述圓周運動物理學的兩個術語——但其中只有一個是真實的。向心力使物體保持圓周運動，並且始終指向該圓的中心。例如，太陽的引力是保持地球繞其運行的向心力。

同時，離心力就是所謂的虛構力：它是對圓周運動的物體的明顯向外力。然而，如果您是旋轉的那個人，這種幻影力會感覺非常真實。例如，離心力是描述您在 Gravitron 和類似的遊樂園遊樂設施上向外飛行的感覺的一種方式。歸根結底，這兩個旋轉力是同一枚硬幣的兩面。

“向心力和離心力之間的區別與不同的'參考系'有關，也就是說，你從不同的角度來測量某物，”華盛頓大學（University of Washington）的研究物理學家安德魯·甘斯（Andrew A. Ganse）說。“向心力和離心力實際上是完全相同的力，只是方向相反，因為它們是從不同的參考系體驗的。”

如果你在旋轉系統之外，你會觀察到向心力。從旋轉物體的角度來看（例如，洗衣機中旋轉的衣物），您會體驗到離心力。

向心力和離心力有什麼區別？

向心力和離心力是描述同一事物的兩種方式。向心力和離心力之間的主要區別在於力的方向或方向以及參考系 - 無論您是從靜止點還是從旋轉物體的角度跟蹤力。

向心力指向圓心，使物體沿圓形路徑移動。“向心”一詞的意思是“中心尋求”。根據西德克薩斯 A&M 大學物理學副教授 Christopher S. Baird 的說法，離心力——同樣不是真實的——讓人感覺像有什麼東西把它向外推，遠離了圓的中心。

離心力是真的嗎？

向心力是一種實際的力，而離心力是一種視在力。換句話說，當你旋轉綁在繩子上的石頭時，繩子會對岩石施加向內的向心力，而從石頭的角度來看，繩子上似乎有一個向外的離心力。

如果您從外部觀察旋轉系統，您會看到一個向內的向心力，將旋轉體約束成圓形路徑。

但是，如果您在 Gravitron 上旋轉，您會體驗到明顯的離心力將您推離圓心。你感受到的是向內向心的力，它阻止你偏離切線。

想像一下，你坐在一輛轉彎的汽車裡。如果您從外面觀察，您可以觀察到向心力將汽車向內推向中心，使其保持圓周運動。但是，如果你坐在車內，你會感覺到一股力將你推離圓圈的中心——這就是離心力。

向心力和離心力的真實例子有哪些？

向心力的一個簡單真實例子是綁在繩子上的石頭。當繩子旋轉時，繩子中的張力會阻止岩石沿直線飛走。這種張力指向內部，指向圓圈的中心。

再舉一個例子，太陽的引力提供了向心力，使行星圍繞我們的中心恆星旋轉。

離心力描述了您在汽車轉彎或飛機傾斜轉彎時的感覺。離心力發生在洗衣機的旋轉迴圈中或兒童乘坐遊樂園遊樂設施時。

向心力的另一個實際應用是實驗室離心機，用於加速液體懸浮液。離心機是血液樣本分析中使用的關鍵工具。

通常，熱運動會導致連續混合，從而防止重力迫使血細胞沉澱到不同的層中。然而，典型的實驗室離心機可以達到重力的 600 到 2,000 倍的加速度。這種強大的加速度使重紅細胞沉澱在樣品底部，並根據其密度將溶液的各種成分分層。

太空探索中的向心力

太空中的大多數物體大致繞一個圓周運動，因此向心力在太空探索中起著很大的作用。它控制著衛星如何繞我們的星球旋轉，月球如何圍繞地球旋轉，以及太陽系其他行星如何圍繞太陽旋轉。

該旋轉力還用於模擬太空發射的加速度，以進行宇航員訓練。當火箭首次發射時，它滿載燃料和氧化劑，幾乎無法移動。然而，當它上升時，它會以極快的速度燃燒燃料，不斷失去品質。牛頓第二定律指出，力等於品質乘以加速度，或 F = 馬。

在大多數情況下，品質保持不變。然而，對於火箭來說，它的質量發生了巨大變化，而力——在本例中是火箭發動機的推力——幾乎保持不變。這會導致助推階段結束時的加速度增加到正常重力的幾倍。NASA 使用稱為離心機的大型旋轉輪子為宇航員準備這種極端加速。在此應用中，向心力由向內推向宇航員的座椅靠背提供。

與此同時，離心力可能會在未來的空間站中產生重力錯覺。如果你通過向心力旋轉航太器，你會產生一個加速度，感覺就像離心力一樣。這種效應可以產生人工重力，假設飛船旋轉得足夠快。