第三章圓周運動 3.4重量“消失”了

第三章圓周運動 3.4重量“消失”了

　　“把盛水的器具甩著轉(zhuǎn)的時候，里面的水不會潑出來；甚至把這個器具轉(zhuǎn)得底朝天，水也不會潑下來，因為旋轉(zhuǎn)運動阻止著水潑出來”，這是兩千年前亞理斯多德寫的幾句話。圖32畫的就是這個試驗：盛水的桶轉(zhuǎn)得足夠快的時候，即使你把桶轉(zhuǎn)得桶底朝天，象圖上所畫的那樣，桶里的水也不會潑下來。毫無疑義，許多人都曾經(jīng)做過這種試驗。

　　這種現(xiàn)象平時都把它解釋成由于“離心力”作用的關系。離心力是一種想象的力，它好象是加在物體上的，物體受了它的作用，總想遠離旋轉(zhuǎn)軸。這種力量其實并不存在：物體所以要遠離旋轉(zhuǎn)軸，不過是慣性的一種表現(xiàn)，而所有由于慣性的運動，都是不必用力就可以實現(xiàn)的。在科學里，離心力的意思不是別的，只是旋轉(zhuǎn)著的物體拉緊縛住它的線或是壓在它的曲線軌道上的實在的力量。這種力量不是加在運動著的物體上的，而是加在阻止物體做直線運動的障礙物線、轉(zhuǎn)彎地方的鐵軌等上面的。

　　讓我們拋棄掉那種意義不明確的離心力的概念，來研究水桶旋轉(zhuǎn)時候所產(chǎn)生的現(xiàn)象的原因。我們可以先向自己提出這樣一個問題：如果在桶壁上開一個孔，沖出來的那股水要向哪個方向運動？如果沒有重力，這股水在慣性作用下，會沿著圓周AB的一條切線AK沖出去。可是重力會強迫這股水落下來，形成一條曲線（拋物線AP）。如果圓周速度夠大，這條曲線就會落在圓周AB的外面。所以這股水告訴我們，如果不是桶阻礙著，水在桶轉(zhuǎn)的時候會走什么樣的路線。現(xiàn)在已經(jīng)很明白，水根本不會豎直向下動，因此也就不會從桶里潑下來。水只有在一種情況下會從桶里潑出來，就是桶口朝著旋轉(zhuǎn)的方向。

　　現(xiàn)在讓我們來計算一下，在這個試驗里水桶要轉(zhuǎn)得多快，水才不會向下潑。這個速度應當是：旋轉(zhuǎn)的水桶的向心加速度要不比重力加速度小。因為只有這樣，才會使水沖出來的時候所走的路線落在水桶所畫的圓周的外面，而桶不管轉(zhuǎn)到哪里，水也不會從桶里潑出來。計算向心加速度W的公式是：

　　在這里，v是圓周速度，R是圓形路線的半徑。我們知道在地球表面上的重力加速度 g＝9.8米／秒2，因此我們就有一個不等式：

　　假設R等于70厘米，那末，

　　很容易算出，要得到這樣大的圓周速度，只要我們拿繩的手每秒鐘大約轉(zhuǎn)三分之二圈就夠了。這樣的旋轉(zhuǎn)速度是完全可以做到的，所以這個試驗能毫不困難地做成功。

　　在容器依著水平軸轉(zhuǎn)的時候，液體會壓在容器的壁上。這種性質(zhì)在技術上已經(jīng)利用在所謂離心澆鑄上。這里主要的是：不均勻的液體會按照它們的比重成層地分開來。比較重的成分會落在離旋轉(zhuǎn)軸遠的地方，比較輕的成分會落在離軸近的地方。因為這樣，含在熔化的金屬里會在鑄件里造成氣泡的氣體，就從金屬里分離出來，跑到鑄件里面的空處。用這種方法鑄成的鑄件比較密實，并且不含氣泡。離心澆鑄法比普通的壓鑄法成本低，并且不需要復雜的設備。

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