大学物理·力学

圆周运动与向心力

10 分钟

转弯也是一种加速

速度是带方向的量,方向变了,哪怕快慢没变,也是加速。圆周运动每时每刻都在拐弯,所以一定有指向圆心的加速度,叫向心加速度:a = v²/r。白话:转得越快、半径越小,需要的「拐弯力」越大,而且是平方地涨——速度加倍,向心力要四倍。

向心力不是新力

这是最容易错的地方:向心力不是第九种基本力,而是一个「角色」。卫星绕地球,由万有引力扮演向心力;绳拴小球抡圆圈,由绳的拉力扮演;汽车过弯,由地面摩擦力扮演。谁把物体往圆心拽,谁就是向心力。绳子一断,小球沿切线直飞出去——不是被「甩出去」,只是没人再拽它拐弯了。

数字感受一下

过山车通过最高点时,如果速度够大,重力和座椅支持力合起来仍足以提供向心力,人不会掉下来——安全扣只是保险。洗衣机甩干筒转速每分钟上千转,筒壁小孔处水滴需要的向心力没人提供,就沿切线飞出小孔被排走,衣服却被筒壁兜住,这就是甩干的原理。

常见误区:离心力

站在地面(惯性系)看,做圆周运动的物体只受真实的向心力,根本不存在向外的离心力。你坐车过弯觉得被「甩向门外」,是你的身体想走直线而车门把你掰弯——感觉是真的,力是「假」的(在非惯性系里它才有用)。

练一练:用绳拴一个小沙包在头顶缓慢抡圈,逐渐加快,感受手上拉力的变化,用 a = v²/r 解释。

小纸条

向家长解释:汽车雨天过弯为什么要减速?从向心力的供需两边说。

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