离心力与木桶实验

当年在学习大学物理时,我已清楚了离心力的本质,可惜当时没有记录下来。最近与人讨论牛顿水桶实验,又扯出了离心力的话题,所以我趁此机会整理一下。

【正文】

先回顾一下惯性定律(牛顿第一定律)——任何一个物体在不受任何外力的时候(Fnet=0),总保持匀速直线运动或静止状态,直到有作用在它上面的外力迫使它改变这种状态为止。

也就是说——在没有其他力介入的情况下,运动的物体总是保持匀速直线运动。
要想使(匀速直线运动的)物体转为做匀速圆周运动,就必须再给予一个垂直方向的力,这就是向心力。
所谓的离心力,仅是缺乏向心力的表现。即我们的主观意愿是做匀速圆周运动,而物体运动的天性是匀速直线运动。如果我们停止提供向心力的话,物体会沿切线方向做匀速直线运动。

对于水桶实验而言,可将其中的每一滴水看做一个粒子。
当桶壁旋转时,会以摩擦力的方式传递切向力给水粒子。而水粒子受到切线力后试图做直线运动,所以逐渐远离了转轴。但很快就遇到了桶壁,没法再做直线运动。
当越来多的粒子挤到桶壁边缘时,因为左右也挤满了粒子,它们只有朝上下方向扩散。由于有桶底,下面走不了,那么只有朝上面运动。因为受到引力影响,碰撞所产生的速度很快就被被引力抵消,所以边缘的水面只能维持一定的高度。

如果没有桶底、仍有引力。不论是否旋转,水肯定会沿着引力方向流走。

如果没有桶底,也没有引力,但仍有桶壁(无限长),且旋转速度足够快。那么水粒子会向上下两个方向挤压,最终会全部会附在桶壁内面,桶子中间没有水。

那么当没有桶壁(、也没有引力)时会如何呢?
若旋转速度足够快,所需向心力大于水自身的引力时,那么水滴会朝外飞出去,永远不会回来(无限三维空间)。
若旋转速度较慢,所需向心力小于水自身的引力时,那么会因旋转形成一个椭球体。

简化为:真空一水球,因引力而形成球体。

牛顿观点:水球,如果是椭球体,那么,根据圆周运动特性,推论:水球在转动。
反之,水球如果是正圆球体,那么推论:水球没有转动。

马赫观点:水球中心为宇宙中心,宇宙中各星体提供的引力,正好使水球成椭球体形状。所以推论:牛顿离心定律,不能解决转动问题。
若要使马赫观点成立,就必须满足引力超距作用、超过光速的线速度等一系列超级地前置条件,而且最终要使水球稳成椭球体形状。这比用杀牛刀做微创手术还难得多。

原文地址:https://www.cnblogs.com/zyl910/p/CentrifugalForce_and_WoodBarrelExperiment.html