把打开的雨伞放在地上,使它的顶端向下,转动雨伞。这时,如果我们往旋转的伞里扔一个小球、纸团或者手帕,其他的东西也可以,只要这个东西重量很轻且不易摔碎就行。这时,我们会发现一个很有意思的现象,倒立的雨伞并不愿意接受这个“礼物”,被扔进去的东西会慢慢滑到伞的边缘,并且从伞边飞出去。
通过这个实验,我们可以看出,扔进去的东西是被一种力给抛出去的,而这个力就是“离心力”。准确地说,这应该称为“惯性”。任何物体在做圆周运动的时候,都会产生离心力。这其实就是惯性的一种表现形式:
图 离心力的作用
运动着的物体会始终保持运动方向和运动速度的一致性。
其实,说到离心力,远不止刚才实验中提到的这一种。如图所示,如果我们在一条绳子的一端系上一块石头,并且把石头甩起来,我们会感觉绳子绷得很紧,就像要断掉似的,这其实也是离心力的作用。
古时候,战场上经常用到一种武器——投石器,其实就是利用了这一原理。同样的道理,如果磨盘转得非常快或者不牢固,就会被离心力弄碎。
借助离心力的作用,我们还可以变一个戏法:
在一个杯子里倒满水,让杯子快速地做圆周运动,只要速度足够快,倒立杯子,杯子里的水也不会倒出来。
还有更绝的。在马戏团里,自行车手会借助离心力完成令人头晕目眩的“超级筋斗”,如图所示。
为了把牛奶中的凝乳分离出来,人们发明了离析器,也是利用了离心力的原理。利用同样的原理,人们还发明了离心分离机,用来把蜂蜜从蜂房中抽出来,以及特制的离心脱水装置,用来甩干衣服,等等。
坐过有轨电车的人都有过这样的感觉,当行驶线路突然改变时,也就是转弯时,我们会明显地感受到离心力的存在,被挤向车厢靠外的一侧。如果不是外侧的车轨比内侧的车轨铺得稍高一些,那么当电车行驶的速度非常快时,电车就可能会在离心力的作用下翻倒。所以,车轨的正确铺设方法应该是在转弯的地方稍微向内倾斜。虽然听起来有些奇怪,倾斜的车厢竟比水平的还稳定?!事实上,也确实是这个道理。
我们可以通过一个小实验来弄明白其中的原理:
图 “超级筋斗”
第1步:先来准备一个特殊的器皿——把一块硬纸板卷成宽口的喇叭形。当然,也可以用其他的东西代替。比如,侧壁呈圆锥形的小碗,圆锥形的玻璃罩或者铁皮罩,以及类似形状的灯罩都可以。
第2步:准备好这样的一个器皿以后,我们在里面放上硬币、小金属片。
第3步:给器皿里的小东西一个力,让它沿着器皿内壁做圆周运动。
我们就会看到,小东西会向内侧下方倾斜。当硬币速度慢下来以后,就会慢慢趋向器皿的中心。也就是说,硬币的运动轨迹会逐渐变小。这时,如果我们转动器皿,硬币就会重新转动起来,随着速度的加快,硬币就会离开器皿的中心,圆周运动的轨迹也会慢慢变大。当速度足够快的时候,硬币就会完全滑出器皿。
自行车比赛的场地一般都是环形的,在场地设置的时候也需要考虑离心力的作用,特别是在转弯的地方,赛道必须向内侧倾斜。而且,当自行车手在上面骑行的时候,自行车也倾斜得非常厉害,就像刚才实验中的硬币。我们会发现,这时的自行车不仅不会翻倒,而且看起来还特别稳定。明白了这一原理,我们对于马戏团的自行车手在剧烈倾斜的木板上绕骑,就不会感到不可思议了。因为我们已经知道了它的原理其实很简单。相反,对于自行车手来说,真正困难的是沿着平稳、水平的道路骑行。同样的道理,赛马场上急转弯的地方也会向赛道的内侧倾斜。
刚才提到的这些现象,都是我们经常见到的。其实,还有很多现象也存在着离心力。比如,我们居住的地球。我们都知道,它每天都在旋转,所以它也会受到离心力的作用。那么,这里的离心力表现在哪里呢?下面我们就来分析一下。
首先,在地球旋转的时候,地表上的物体会变轻。
其次,越接近赤道的物体,由于它在24小时内完成的圆周更大一些,也就是说,它们旋转的速度更快,所以损失的重量也就越多。
举个例子来说,如果我们把一个1千克的砝码从地球的两极拿到赤道重新称重,就会发现重量少了5克。当然,这个差别并不大。但是,如果物体非常重,它损失的重量就会更多一些。比如,一辆蒸汽机车从阿尔汉格尔斯克开到敖德萨,到达目的地的时候重量会减少60千克,这个重量相当于一个成年人的体重。而一艘重2万吨的战列舰从白海到达黑海,损失的重量能达到80吨。这个数字恰好是一辆蒸汽机车的重量!
这种现象是如何发生的呢?
当地球旋转的时候,表面的物体会受到离心力的作用,物体好像被抛出去一样,就像本节一开始的雨伞实验。只不过,由于受到地球引力的作用,这些物体并没有被扔出去。我们习惯上把地球引力叫作“重力”。虽然地球没有把物体抛出去,但是物体的重量确实减少了。也就是说,地球上的物体比它的实际重量轻一些。
物体旋转的速度越快,它减轻的重量就越明显。科学家们曾经做过计算,如果地球的转速达到现在的17倍,那么赤道上的物体就会变得没有重量了。如果转得再快一些,比如,每隔1小时地球就自转一周,那么不仅赤道上,赤道附近所有陆地和海洋上的物体都会完全失去重量。我们可能根本无法想象这一点,物体竟然会失去重量?!我们可以想象一下,这样的话我们就可以举起任何物体,哪怕是蒸汽机车、大石块、巨型炮,或者整艘军事战舰,更不用说汽车、武器了,举起它们就像举起一根羽毛一样轻松。如果我们把它们扔下来,也不用担心它们会摔坏,因为它们根本就没有重量,所以,它们也不会掉下来,在什么地方放下它们,它们就会飘在那里,是不是很神奇?而且,我们可以跳得非常高,甚至比世界上最高的建筑或者高山都要高。不过,有一点我们千万别忘记了,跳起来很容易,但想要落下来可就不容易了。因为我们也没有了重量,所以我们不会自己掉下来,只能飘在空中。
困扰还不仅如此。我们可以想象一下:所有的物体,不管是大的还是小的,如果它们杂乱地飘在空中,没有任何束缚,来一阵微风就会把它们吹到另一个地方。所以,这时的人类、动物、汽车、运货车,甚至轮船,它们就会在空中相互碰撞,自然也免不了在碰撞时发生损伤和损坏了。
刚才描述的现象就是地球转得太快所造成的后果!