离心力定义

旋转质量所感受到的外向力被称为离心力。离心力看起来作用在所有物体上，当从一个旋转的参考系观察时，它是一种惯性力，在牛顿物理学中也被称为“假想力”或“虚构力”。它指向远离坐标系原点，沿着平行于旋转中心的轴线。当旋转线与坐标系原点重合时，离心力会从该点径向向外产生。以下方程可用于确定当一个质量为“m”的物体与参考系原点保持“r”距离并相对于该参考系旋转时，所受到的离心拉力“F”的大小。

F=mw²r

其中，

F = 离心力

m = 质量

w = 角速度

r = 与原点的距离

离心力的含义

在旋转参考系中会观察到称为离心力的外向力。当一个结构被定义为“惯性参考系”时，物体是不存在的。所有位置和速度的测量都需要相对于另一个物体进行。例如，在飞行过程中，可以相对于飞机、地球表面，甚至太阳来分析物体的运动。惯性参考系是相对于“固定恒星”（或以恒定速度无旋转运动的参考系）静止的参考系。任何系统都可以用惯性参考系进行研究。然而，使用旋转参考系来解释旋转系统通常更实用，因为计算更容易，解释也更清晰。这种选择导致了像离心力这样的虚构力的出现。

无论其运动状态如何，在绕原点轴旋转的参考系中，所有物体似乎都受到一个外向力，该力与它们的重量、与旋转轴的距离以及它们的角动量平方成正比。这就是离心力的作用。离心力比向心力不那么为人所知，因为人们在旋转参考系（如汽车或旋转木马）内时更常感受到它。

历史

在克里斯蒂安·惠更斯的笔记本和著作中，“vi centrifuga”（拉丁语意为“离心力”）一词最早可以追溯到 1659 年。请记住，在拉丁语中，fugas（来自fungi）意为“逃离，避开”，centrum 意为“中心”。因此，centrifugus 的准确翻译是“逃离中心”。

1673 年，惠更斯在其著作《Horologium Oscillatorium》中写道（由 Richard J. Blackwell 转录）：

“除了我们到目前为止所研究的摆动之外，还有另一种摆动：一种悬挂的重物绕圆周运动的运动。我们通过同时制造第二个钟表来完成了这项研究。我最初计划对这些钟表进行全面的描述，以及有关圆周运动和离心力（或您想怎么称呼它）的信息；我在这方面有很多话要说，但目前我无法做到。因此，与我最初的设想相反，我添加了这一第五部分，以便对这些问题感兴趣的人可以更快地享受这些新颖且并非无关紧要的假设，并且它们的发布不会因意外而延迟。”

1687 年，牛顿在他的《自然哲学的数学原理》中进一步发展了“vis centrifuga”（离心力）。在此期间，罗伯特·胡克、戈特弗里德·威廉·莱布尼茨和艾萨克·牛顿都对这一概念进行了改进。直到 18 世纪末，离心力才作为旋转参考系中的“虚构力”成为我们今天所理解的。关于探测绝对运动的讨论也涉及到离心力。牛顿提出了旋转桶和旋转球体等论证来解决是否可以检测绝对旋转的问题。根据牛顿的说法，只有当物体相对于绝对空间在每个实例中旋转时，离心力才会在物体的局部框架中显现。

离心力的应用

离心力最容易解释许多典型的旋转机械系统是如何工作的。例如：

• 离心调速器通过使用径向移动的旋转重块来根据发动机转速的变化来调节节气门，从而控制发动机的转速。离心力在旋转质量的参考系中驱动径向运动。
• 在链锯、卡丁车和微型直升机中，小型发动机驱动离心离合器。它允许发动机在不驱动设备的情况下启动和怠速，但当发动机转速升高时，它会平稳且自动地接合驱动。许多汽车安全带的惯性卷盘和攀岩用的惯性鼓式制动器都遵循相同的原理。
• 离心力可以用来制造人造重力，就像提出的旋转空间站的设想一样。这种技术本可以被“火星重力生物卫星”用来模拟重力，以研究啮齿动物如何应对火星重力水平。
• 旋压铸造和离心铸造是工业过程，它们利用离心力将液态金属或塑料分布到模具的负区域。
• 在研究和工业中，离心机用于分离材料。在装有液体的管子垂直于离心机旋转轴的管子中，由于离心力产生的静压差，低密度物质受到强大的浮力作用向内推。在离心力作用下，比流体密度大的物质或颗粒向外流动。这是阿基米德原理应用于离心力而非重力。
• 离心力用于一些游乐设施。例如，引力仪（Graviton）的旋转通过将乘客推向墙壁并允许他们升到机器地板上方来抵消地球的重力。

对系统内部的力和运动的研究必须更加谨慎。然而，通过在固定参考系中描述运动和力，可以在不使用离心力概念的情况下描述这些系统中的每一个。

示例

串起的石头

当石头在绳子上水平旋转时，绳子是作用在石头上的唯一真实力。在水平面上，石头受到一个指向中心的合力。

牛顿第一运动定律指出，如果石头不受惯性参考系中这个合力的作用，它将沿直线运动。为了使石头保持圆周运动，必须向石头施加一个恒定的向心力；在这种情况下，绳子充当力的发生器。虽然所有运动都可以使用真实的力和牛顿运动定律精确表示，但在惯性参考系中，离心力的概念不是必需的。

在一个与石头在同一平面上旋转的参考系中，石头没有相对运动。然而，绳子的力仍然作用在石头上。如果使用牛顿定律的标准（惯性参考系）形式，可能会得出石头必须沿合力方向（朝向旋转轴）加速的结论，但它并没有。为了在旋转参考系中使用牛顿运动定律，除了真实的力之外，还必须考虑额外的虚构力，例如离心力。

转弯的车辆

在行驶的车辆（如汽车）中的乘客经常会经历产生离心力概念的现象。牛顿第二运动定律指出，以恒定速度沿直线行驶的汽车中的乘客没有加速，因此作用在他们身上的合力为零（作用在他们身上的所有力相互抵消）。当车辆进入向左倾斜的弯道时，乘客会感到一股向右的假想力。这就是虚构的离心力。为了在车内保持其固定位置，乘客必须施加一个向右的力，例如座椅对乘客的摩擦力，以抵消他们相对于车辆向右加速的快速倾向。根据牛顿第三定律，当他们向右推座椅时，座椅也向左推他们。在乘客的参考系（乘客静止）中必须考虑离心力，因为它抵消了座椅向左的作用力，并解释了为什么乘客在这种不平衡力下没有加速。乘客被迫向曲线内侧移动，以便继续与汽车一起行驶，而不是像他们本应的那样沿直线行驶。这是由于座椅对乘员的摩擦力未被平衡，从而产生一个向左的净拉力。一个静止站在俯瞰点的人可以清楚地了解情况。因此，人们所体验到的“离心力”实际上是由惯性引起的“离心倾向”。飞机和过山车也经历类似的效应，在这种情况下，这种假想力的强度通常以“G”来表示。