問祖歸宗：科技前沿離心機的核心概念 —“不存在的力”

我們都知道當科學家發(fā)現(xiàn)一種事物總會想著將其有效利用，每一次的發(fā)明都會大大影響人們的生活。

就比如倫琴射線被運用于醫(yī)學中掃描人體的部分，使看診效率大幅度增加。

離心力只是一種虛擬力，是一種慣性力，它使旋轉(zhuǎn)的物體遠離它的旋轉(zhuǎn)中心，而它并不存在，只是被用于理解一種現(xiàn)象的發(fā)生，而實際上是多個力在作用。

如果要找出假設的來源，理所當然應首推拉格朗日的力學公式對其描述和理解。

所以若是說離心力是誰假設的，是笛卡爾、牛頓、伽利略亦或是誰，我們并不知情。

要談到離心力，就得先從牛頓***律開始談起。

慣性離心力是勻速旋轉(zhuǎn)參考系中，為了形式上保持牛頓***律的形式，而引入的一類虛擬力。

在牛頓力學里，離心力曾被用于表述兩個不同的概念：在一個非慣性參考系下觀測到的一種慣性力，向心力的平衡。在拉格朗日力學下，離心力有時被用來描述在某個廣義坐標下的廣義力。

從*義上，「離心力，centrifugal force」是一種假力，從牛頓力學而言，描述圓周運動只需向著圓心的凈力（向心力）就已經(jīng)足夠，實在不需要什么「離心力」。

但另一方面，我們也不能否認當車子轉(zhuǎn)彎時，真的像有被「拋出」的感覺，這又是怎么一回事呢？

我們想像車子里的一顆紅球，因車子轉(zhuǎn)彎但車上的紅球因為慣性而繼續(xù)走直線，從地面描述圓周運動，不存在什么「離心力」，人們有被拋出的感覺實際是「慣性，inertia」造成。

若從加速當中的車子來觀看運動，情況不一樣，物理學稱一個加速的觀察者為一個「非慣性參考系統(tǒng)，noninertial frame of reference」。

但牛頓***律不適用于非慣性系統(tǒng)，車 A 受力 F 作用，力造成加速 a=\frac{F}{m} ，而方塊 B 則不受任何力作用。

所以在路面上，靜止的乙所看到的景象是，A 因力 F 作用，所以加速，而 B 靜止，因它沒有受（凈） 力作用。

但在車 A 內(nèi)的乘客甲看到的卻不是這樣，A 受力 F 作用，但它是靜止，雖然 B 沒有受凈力作用，但它卻以加速度 a 往反方向加速。

很明顯的，甲看見的**是受力的物體 A 不加速；不受力的物體 B 加速，所以甲看到的**不滿足牛頓運動***律。

為了牛頓力學仍然*適用于非慣性系統(tǒng)，物理學引入了「假力，pseudo-force」：從一加速為 a 的非慣性系統(tǒng)來描述某物體的運動，只要「想像」該物體多受一個 -ma 的力作用（m 是該物體的質(zhì)量，負是表示相反方向)，那牛頓***律 F = ma 仍然正確。在引入了假力后，上例中的甲就會這樣描述：A 是靜止，因為 F 與 F' 抵消，B 向后加速，因它受 F" 作用。

離心力*以說是來源于對圓周運動的物體的慣性效應的描述。

假設一個平面慣性系 S ，以及一個在平面內(nèi)繞過某點 O 的軸 z 以角速度 \vec\omega 勻速旋轉(zhuǎn)的質(zhì)點，并有一個相對于與之同軸同角速度旋轉(zhuǎn)的參考系 S'

在 S 系中我*以用牛頓*律來完整描述質(zhì)點在經(jīng)典力學范圍內(nèi)的動力學情況：設質(zhì)點受力為 \vec F ，質(zhì)量 m ， S 系測得線加速度為 \vec a ，則有 \vec F=m\vec a=-m\omega^2\vec r 。

現(xiàn)在考慮非慣性系 S' 。在其中觀察該質(zhì)點為靜止狀態(tài)，而“力”在牛頓力學中被認為是一個參考系不變量，因此很顯然地，在非慣性系 S' 中，牛頓*律不成立。

出于方便計算等原因，我們希望能通過一些手段來至少是形式上地保持牛頓***律的成立性，這就是慣性力被引入的動機。在系 S' 中，觀察者會認為，為了平衡掉上述的向心力 \vec F=-m\omega^2\vec r ，就應當存在一個與之反向等大的“力” \vec F_c=m\omega^2\vec r 。它的作用效果是使得質(zhì)點遠離轉(zhuǎn)動中心點 O ，因此命名為“離心力”。

事實上，慣性離心力的存在與否并不一*要求質(zhì)點相對于某慣性系做圓周運動。原則上，只要存在一個“在平面內(nèi)繞過某點 O 的軸 z 以角速度 \vec\omega 勻速旋轉(zhuǎn)”的非慣性系 S'，那么就*以*義一個任何質(zhì)點都會受到的慣性力 \vec F_c=m\omega^2\vec r 并稱之為“離心力”。

離心力的本質(zhì)是代表了物體慣性在圓周運動中的表現(xiàn)，這種慣性體現(xiàn)為使得物體具有一個遠離旋轉(zhuǎn)中心的趨勢，有時候我們會稱之為“離心效應”。

只不過在這種情形下，物體通常還會受到其他種類的慣性力，例如所謂“科里奧利力”。*終總的效果仍然是保持牛頓***律的形式成立性。