離心力（centrifugal force）是一種使物體遠(yuǎn)離中心的虛擬力。是非慣性系中“慣性離心力”的簡(jiǎn)稱(chēng)。其原理是當(dāng)物體做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，該物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)慢的分子會(huì)因分子間相互作用力跟著運(yùn)動(dòng)快的分子而改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這中分子間的延遲效果就體現(xiàn)為離心力，其公式為 F＝mω2r，表示物體的質(zhì)量為 m，角速度為 ω，半徑為 r。
離心現(xiàn)象是指當(dāng)支持一個(gè)物體作圓周運(yùn)動(dòng)的力減弱或消失時(shí)，物體逐漸遠(yuǎn)離圓心，這種現(xiàn)象可在鏈球運(yùn)動(dòng)、車(chē)輛轉(zhuǎn)彎以及天體圓周運(yùn)動(dòng)等觀(guān)察到。在日常生活中離心力的應(yīng)用常見(jiàn)于洗衣機(jī)，水在離心力作用下將衣服中的污垢帶走。在工業(yè)設(shè)備上離心力常用來(lái)制造分離液態(tài)非均相混合物的機(jī)械設(shè)備。在航空航天上離心力用來(lái)為宇航員制造“人造重力”。在醫(yī)療領(lǐng)域利用離心力來(lái)分離血小板。
定義
在非慣性系中，由于參考系本身的加速運(yùn)動(dòng)，牛頓定律需要通過(guò)引入慣性力來(lái)修正才能適用。離心力是非慣性參考系中的虛擬力，不存在實(shí)際的施力物體和相應(yīng)的反作用力。在慣性參考系中不存在離心力。假設(shè)系統(tǒng)中不存在任何摩擦力，木塊的旋轉(zhuǎn)完全由繩子的拉力維持。在與圓盤(pán)一同旋轉(zhuǎn)的參考系中，也即非慣性參考系中，觀(guān)察者會(huì)發(fā)現(xiàn)木塊靜止不動(dòng)。
正在做勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，在向心力不足或向心力突然消失時(shí)，所作的逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)，叫做離心運(yùn)動(dòng)。作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的物體，必須時(shí)刻受到向心力的作用，才能使速度的方向不斷發(fā)生改變，從而維持物體沿圓周運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律（為向心加速度），而（為切向速度），此時(shí)物體所需的向心力或；如物體的角速度(或線(xiàn)速度) 增大了，或物體受到的向心力變小，即或，物體則不能維持原有的圓周運(yùn)動(dòng)，而是逐漸遠(yuǎn)離圓心而去；如物體所需要的向心力突然消失，即 F=0，物體會(huì)因慣性而以該時(shí)刻的速度沿切線(xiàn)方向飛出去，如圖所示。
發(fā)現(xiàn)歷史
在1664一1665年寫(xiě)的《未發(fā)表的記事手稿》中，艾薩克·牛頓討論了在圓形軌道上運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)所受的向心力的問(wèn)題，他假設(shè)一個(gè)小球在半徑為的圓筒內(nèi)表面上沿著作圓運(yùn)動(dòng)，如果圓筒內(nèi)壁不控制其運(yùn)動(dòng)，小球在點(diǎn)或點(diǎn)就會(huì)沿切線(xiàn)或飛離出去，如圖所示。牛頓分析了小球從a運(yùn)動(dòng)到b時(shí)，小球反射時(shí)對(duì)壁的壓力（指沖量）：小球運(yùn)動(dòng)的力（指動(dòng)量）=，在分析了4詞反射的情形后，他得出結(jié)論：全部反射力與物體運(yùn)動(dòng)的力之比如同全部邊長(zhǎng)（即周長(zhǎng)）對(duì)半徑之比，即力正比于運(yùn)動(dòng)量的改變，這巧妙地得出了“離心力”定律。
后在1669年前，牛頓在《論圓運(yùn)動(dòng)》的手稿中，根據(jù)慣性原理、自由落體定律和正在他頭腦中萌發(fā)的牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律，通過(guò)幾何分析，得到了他的離心力公式。1673年，荷蘭著名的物理學(xué)克里斯蒂安·惠更斯在擺鐘研究中也發(fā)現(xiàn)了離心力公式。大約在1883年，馬赫原理提出，產(chǎn)生離心力和其他慣性效應(yīng)的不是絕對(duì)旋轉(zhuǎn)，而是遠(yuǎn)處恒星相對(duì)于局部慣性參考系的運(yùn)動(dòng)，這通過(guò)某種假定的物理法則實(shí)現(xiàn)。
原理
當(dāng)物體做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，類(lèi)似于有一股力作用在離心方向，因此稱(chēng)為離心力，離心力是一種慣性力，其無(wú)法找出施力物體，違背了牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。當(dāng)物體做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到向心力作用，物體內(nèi)的分子不在保持彼此相對(duì)靜止，而是由向心力起初作用的一小塊分子群拉著后面一連串分子，由于向心力時(shí)刻改變，物體內(nèi)這一連串分子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也要時(shí)刻改變，晚改變的分子會(huì)因早改變分子的分子間相互作用力跟著改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這個(gè)分子間的延遲效果體現(xiàn)為外在的離心力，這用牛頓定律解釋不合理，所以衍生出離心力。在以ω為角速度旋轉(zhuǎn)的參考系中，距離轉(zhuǎn)軸為r處，離心力公式為：，其中為回轉(zhuǎn)物體的質(zhì)量，為角速度，為回轉(zhuǎn)半徑，方向沿半徑背離旋轉(zhuǎn)軸向外。
離心現(xiàn)象
物體做圓周運(yùn)動(dòng)需要一定的向心力，當(dāng)做圓周運(yùn)動(dòng)的物體在向心力減小或突然消失時(shí)，物體會(huì)做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)叫作離心運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象叫作離心現(xiàn)象。例如體育上的鏈球運(yùn)動(dòng)，在投鏈球時(shí)，運(yùn)動(dòng)員拉著鏈球的鏈索，讓鏈球做圓周運(yùn)動(dòng)，鏈球越轉(zhuǎn)越快，這時(shí)拉鏈索的力，就是鏈球做圓周運(yùn)動(dòng)的向心力，而后，運(yùn)動(dòng)員突然一松手，向心力消失，鏈球便沿切線(xiàn)方向飛去，這是鏈球產(chǎn)生了離心現(xiàn)象。
例如車(chē)輛繞彎，當(dāng)人正在坐車(chē)，汽車(chē)在彎道上轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，乘客的身體也跟著一起改變運(yùn)動(dòng)方向，但由于慣性乘客的身體會(huì)想要保持運(yùn)動(dòng)方向不變，繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，乘客會(huì)感覺(jué)像有一種外力把身體往車(chē)外牽引。
例如天體圓周運(yùn)動(dòng)，月球因離心力才能一直圍繞地球公轉(zhuǎn)，月球受到地球引力的吸引，會(huì)漸漸貼近地球，如沒(méi)有離心力，月球會(huì)離地球越來(lái)越近，直到相撞，由于月球始終在做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)受到離心力的影響，離心力與地球引力強(qiáng)度相同、互相抵消，因此月球始終與地球保持一定距離進(jìn)行公轉(zhuǎn)。
產(chǎn)生條件
第一，做圓周運(yùn)動(dòng)的物體，由于本身具有慣性，總是想沿著切線(xiàn)方向運(yùn)動(dòng)，只是由于向心力作用，使它不能沿切線(xiàn)方向飛出，而被限制著沿圓周運(yùn)動(dòng)。第二，當(dāng)產(chǎn)生向心力的合外力消失，物體便沿所在位置的切線(xiàn)方向飛出去。第三，當(dāng)提供向心力的合外力不完全消失，而只是小于應(yīng)當(dāng)具有的向心力，即合外力不足以提供所需的向心力的情況下，物體沿切線(xiàn)與圓周之間的一條曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，即做逐漸遠(yuǎn)離圓心的運(yùn)動(dòng)。第四，若合外力大于所需的向心力，物體離圓心將越來(lái)越近，即為近心運(yùn)動(dòng)。
應(yīng)用
日常生活
波輪洗衣機(jī)與滾筒洗衣機(jī)各自利用離心現(xiàn)象，洗衣機(jī)內(nèi)桶高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，衣服在離心力作用下緊貼桶壁，高速旋轉(zhuǎn)甩出衣服中水分。離心力洗衣機(jī)不僅能減少磨損還能降低變形，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的洗衣機(jī)磨損率為1.5‰，磨損率較低的洗衣機(jī)為1‰，而離心力洗衣機(jī)的磨損率為0.04‰，還可采用波輪洗滌方式清洗非高檔羊毛絨服裝。
工業(yè)設(shè)備
離心機(jī)是利用慣性離心力來(lái)分離液態(tài)非均相混合物的機(jī)械設(shè)備，由于不同相的物質(zhì)密度不同，單位體積內(nèi)受到的離心力大小也不同，使密度大的物質(zhì)在外而密度小的物質(zhì)在內(nèi)，從而達(dá)到分離效果，主要是從懸濁液中分離出晶體顆粒及纖維狀物質(zhì)，或是從乳濁液中分離出重液和輕液。分離因素(離心加速度與重力加速度之比）是反應(yīng)離心沉降設(shè)備分離性能的重要指標(biāo)，值越大，離心機(jī)分離能力越強(qiáng)。因離心機(jī)構(gòu)造、分離對(duì)象及要求的不同，其分離因素的范圍液也不同。按照分離因素，離心力可分為常速離心機(jī)（，通常為600-1200），高速離心機(jī)（=300~50000），超速離心機(jī)（)；按照其操作原理可分為沉降式、過(guò)濾式和分離式；根據(jù)操作的連續(xù)程度可分為間歇式和連續(xù)式；還可根據(jù)離心機(jī)轉(zhuǎn)鼓軸線(xiàn)的方向分為里式離心機(jī)和臥式離心機(jī)。
航空航天
在載人飛船內(nèi)的一切物體處于失重狀態(tài)，這種失重狀態(tài)會(huì)妨礙宇航員進(jìn)行執(zhí)行觀(guān)察、實(shí)驗(yàn)等人物，因此在宇宙空間站里制造了“人造重力”，使宇航員能在接近日常生活條件下工作。將空間站圍繞自身的中心旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，將空間站內(nèi)人和物理向環(huán)壁擠壓，產(chǎn)生近似于地面上的人和物對(duì)地面的作用，來(lái)產(chǎn)生“人造重力”。
醫(yī)療領(lǐng)域
利用大型離心機(jī)來(lái)分離富含血小板(PRP），以 4170XG離心2分鐘，應(yīng)用角度轉(zhuǎn)子離心機(jī)，以 4500rpm 離心2分鐘，再用水平搖動(dòng)懸掛轉(zhuǎn)子離心機(jī)以 4000rpmm離心3分鐘，離心后的血小板會(huì)懸浮血袋上清血漿中，將上去血袋擠于子袋內(nèi)即可。還可分離濃縮血小板，使用角度式轉(zhuǎn)子離心，以5140XG（5000rpm）離心 5分鐘或用水平式轉(zhuǎn)子離心分離用5000XG（4100rpm）離心 5 分鐘即可。
類(lèi)似理論
慣性
任何物體都具有保持原運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不改變的性質(zhì)，如果對(duì)一個(gè)物體施加外力試圖改變其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么這個(gè)物體會(huì)表現(xiàn)出一種阻抗，這個(gè)性質(zhì)就是慣性，即任何物體都具有慣性，這是牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律，又叫作“慣性定律”。
向心力
物體做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，其速度大小不變，速度方向卻不斷改變，可見(jiàn)它受到了力的作用，由于這個(gè)力沒(méi)有改變物體速度的大小，表明這個(gè)力在速度方向上的分力等于零，即它的方向是與速度方向垂直，指向圓心，那么這個(gè)力被稱(chēng)作向心力。
參考資料 >