水桶实验与消失的重力

时间:2023-11-17 12:09:01

亚里士多德在2000多年前曾描述过这样一个现象:

如果将水放在一个正在做圆周运动的容器中,它是不会泼洒出来的,即便把容器翻转过来,水也流不出来,因为水流出来的趋势被圆周运动阻止了。

水桶实验与消失的重力

图 水桶里的水为什么不会流出来?

图 演示的就是这个实验,大家也一定都很熟悉了。当盛水的小桶旋转得足够快时,即使把水桶朝下翻过来,水也不会流出。

人们通常会用“离心力”来解释这一现象。离心力其实是人们想象出来的一种力,它好像作用在物体上,物体在它的作用下,总想远离旋转轴。实际上,这个力并不存在。所谓的离心力其实只是惯性的一种表现而已。在惯性的作用下,任何运动都可以表现出这样的性质。在物理学中,离心力是指一种实在的力量,这个力量使旋转着的物体拉紧绑住它的绳索或者压在它的曲线轨道上。而且离心力不是作用在运动着的物体上的,而是作用在阻碍物体做直线运动的障碍物上的,比如,绳索、转弯处的铁轨等。

在这里,我们不过多解释离心力的作用原理,只对水桶旋转时的现象进行简要研究。现在,请大家思考这样一个问题:在图中,假设我们在水桶上凿一个小孔,会有一股水流冲出来。那么,这股水流会向哪个方向运动?假如没有重力的存在,在惯性的作用下,这股水流会沿着圆周AB的切线AK冲出去。但重力是存在的,所以重力会迫使这股水落下来,于是就形成了一条曲线,即抛物线AP。如果木桶的圆周速度足够大,那么这股水流形成的曲线还会落在圆周AB的外面。换句话说,通过这股水流,我们可以知道:假如没有水桶的阻挡,在水桶旋转的时候,水会走什么样的路线。那就是,水并不会垂直下落,所以水不会从水桶中泼洒出来,只有当桶口面向旋转的方向,水才会从水桶中流出来。

现在,我们来计算一道题目:在实验中,水桶需要以多快的速度进行圆周运动,水才不会往下流?这时,做圆周运动的水桶的向心加速度要大于重力加速度。只有这样,水在冲出来的时候,它的路线才能落在水桶所形成的圆周外面。而且不论水桶旋转到哪里,水都不会流出来。向心加速度的计算公式是:

水桶实验与消失的重力

其中,v是指圆周速度,R是指圆周半径。我们知道地球表面的重力加速度g=9.8米/秒2,所以得到水桶实验与消失的重力

。假设R等于70厘米,那么就可以得到水桶实验与消失的重力

。由此可得:水桶实验与消失的重力

我们通过计算很容易可以得出,水桶只需要每秒钟转个圈,就能够得到这样大的圆周速度。这个速度并不快,很容易可以达到的,所以这个实验是很容易成功的。

当液体沿着容器水平轴旋转时,液体会压附在容器壁上。这是水桶实验的操作原理。离心浇铸的技术就是采用了液体的这种运动性质。离心浇铸的主要作用是将不均匀的液体分层。操作时,液体会按照它们的比重分层,比较重的液体的落点会落在离旋转轴较远的地方,比较轻的液体的落点会落在离旋转轴较近的地方。利用这个操作原理,就可以从金属中将熔化了的金属中的气体分离出来。这样铸成的铸件没有气泡,比较密实。