离心力及其应用

离心力及其应用
江苏南京致远外国语小学周醒驭
1. 引言部分
中国少年科技丛书《万物大观园》中“感受地球引力”、“万有引力”等章节关于引力的问题引起了我的兴趣,尤其是介绍牛顿对地球引力的描述：“牛顿想, 月球不断地向地球下落，如果月球沿直线行进的话,它会离地球越来越远”。

事实上是,月球与地球之间始终以一定的规律保持着一个距离,其奥妙究竟在哪里呢？我想：地球和月球之间肯定存在着某种力的作用。

通过查阅资料，我了解到其中存在一种离心力。

离心力在我们的日常生活中也经常存在。

如公共汽车在拐弯时,车速稍快一些,车上的乘客都会向一边倾斜，像被人推了似的,这就是离心力在作怪。

我们家中的洗衣机在脱水时也是利用了离心力的原理;杂技表演中使人惊叹不已的飞车走壁;铁饼运动员在投掷前的旋转运动等都会受到一个离开轴心的离心力的作用。

为了直接感受一下离心力，我想还是先从简单的实验开始。

2. 实验思路、实验材料和实验步骤
2.1实验设计思路
通过实验是要证实离心力的存在,并且认识离心力与转动速度的关系、离心力与本身重量之间的关系等。

因此,第一要使物体能产生转动,第二要了解物体在转动过程中的受力情况。

第一个问题容易解决,只要用绳子拴住一个物体,另一端用手转动即可。

第二个问题解决起来稍微要麻烦一些,要知道力的大小需要使用测力计。

我想到了马路边小贩卖水果所用的弹簧秤,找来一试，还行。

可麻烦接着而来,静止时秤物体重量读个数很容易,可一旦转动起来要读数并非容易。

我曾想过两个人一起来做这个实验, 一个人转动, 另一人读数,但试下来发现速度快时,根本看不清读数,于是便考虑其他办法……最后选择了在弹簧秤指针端加一块滴上墨水的小海绵，一试，效果挺不错。

2.2实验材料
细绳、记录力大小用的弹簧秤（带指针及刻度）、墨水、小块海绵、用于旋
转用的物体(经过寻找,发现一个合适的小球,仔细秤量，其重量刚好为1.5牛顿)、直尺、光滑的桌面。

2.3实验步骤
1)小球在垂直面内的转动。

见图1。

将细绳的两端分别与小球和弹簧秤连接
(细绳的长度为40cm)，手持弹簧秤顶端。

首先，将小球、细绳及弹簧秤
连起来，像菜场买菜时，农民伯伯秤菜的重量一样，秤一下小球的重量，并做好记录。

然后在指针端的海绵上滴上一滴黑墨水，再使球在垂直面
内转动，开始时速度较慢，然后，逐步加快转速。

当小球在垂直面内能
做圆周运动后，分快慢两种情况两次停止转动，观察弹簧秤指针海绵所
划的黑墨水最大刻度并做好记录。

图1 垂直面内的转动图2 水平面内的转动图3突然放手的情况
2）小球在水平面内的转动。

见图2。

刚开始时将小球置于光滑桌面上，此时
观察并记录弹簧秤读数。

同上，在指针端的海绵上再上一滴黑墨水，并使小球开始转动。

刚开始时速度较慢，然后，逐步加快转速，待小球能完全在水平面内转动时，分快慢两种速度时停止转动，观察弹簧秤指针海绵所划的黑墨水最大刻度并做好记录。

3）小球在转动时突然放手的情况。

见图3。

用细绳的一端栓住小球，另一端握在手中，开始旋转。

当速度很大时，突然松开手上绳索，观察小球的运动。

3. 实验结果及分析
3.1小球在垂直面内的转动实验结果
当小球静止不动时, 弹簧秤显示出的刻度即小球本身的重量，大小等于1.5牛顿。

当小球转速很慢时, 球体还没有到达顶点即往下落，小球不能做圆周运动。

当小球的转速达到一定值时, 小球能运动到顶点。

在能够保持圆周运动的过程中,选取两个不同的转速,并停止转动，观察弹簧秤指针海绵所划的黑墨水最大刻度并记下读数,第一次为 10.2 牛顿,第二次为14.3 牛顿。

分析：小球受到地球引力的作用, 当它静止时, 它的重量即为地球的吸引力。

当小球在垂直平面内转动并且转速很慢时,由于重力大于离心力，因此, 小球不能做完整的圆周运动,球体也就无法到达顶点。

当小球转速加快到一定值时, 小球所受的离心力大于地球的引力,使小球能够到达顶点。

当小球转速进一步加快时, 离心力会更大,并超过小球重力,直接反应是：手感觉到的细绳的拉力在加大,体现在弹簧秤上是有一个较大的读数。

从两个不同的转速时所记录到的弹簧秤上的最大读数分别为10.2牛顿及14.3 牛顿,这两个值要比小球自身的重量大6—9倍。

3.2小球在水平面内的转动实验结果
当小球静止放在光滑的桌面上时, 弹簧秤上读数为零,刚开始转动时, 小球也不能做完整的圆周运动, 当转速到达一定值时, 小球能作圆周运动,并且随着转速加快, 小球能够脱离桌面, 圆周运动的平面越来越高。

同样,取两个转速,并停止转动, 记录下弹簧秤指针海绵所划的黑墨水最大刻度,它们分别为8.0牛顿和11.4 牛顿。

分析：小球静止置于桌面上时,由于重力作用方向与弹簧秤方向不一致，因此弹簧秤无读数。

当小球刚开始运动时,由于离心力很小,因此它要克服桌面摩擦力等而形不成圆周运动。

当转速到达一定值时,小球就开始作圆周运动,随着转速继续增大,在离心力的作用下,小球离开桌面在空中作圆周运动。

从记录下的读数可以看出,离心力远大于小球自身重量。

3.3小球在转动时突然放手情况的实验结果
小球运动到达一定的速度时,突然松开手, 小球会连同绳子一起飞出很远。

分析：小球在做圆周运动时,存在着离心力,由于绳子拉着,因此它无法离开
转动轨道。

当绳子力突然撤销时,小球会在离心力及惯性力的作用下飞出去。

4. 实验结论
通过以上的实验，得到了下面的结论：物体绕圆心做圆周运动时,要产生一个把物体甩出去的离心力,而且这个力的大小与转动的速度有着密切关系, 转速越大，离心力越大。

同时，该离心力的大小可以超过旋转物体自身重量好多倍。

月球在围绕地球转动，两者之间也会产生离心力，但同时，它们之间还存在万有引力，一边是吸引，一边是排斥，两者形成了一种平衡关系。

这是我对牛顿关于月球与地球的“想法”的理解。

5. 离心力的应用
上面的实验结论使我对离心力的应用产生了浓厚兴趣。

打开我的“剪报资料库”，《中国载人航天纪实》一文[1]吸引了我，原来“航天英雄”杨利伟在航天训练中心训练时，也要利用离心力在离心机上飞速旋转,以测试其超重耐力。

当然，为了找到更多的有关离心力应用的资料，我又通过登陆数据网,查阅了很多资料。

原来生活中，有很多利用离心力的巧妙方法。

举个例子，如用于日常生活中的离心洗衣机即波轮式洗衣机[2]，就是利用了离心力来完成洗衣任务的。

还有，利用离心力可以进行离心浇铸[3],这样浇铸出来的构件,质地均匀,质量上乘……
看来人类利用离心力可做的工作还很多。

我也要利用离心力来设计一种能解决实际问题的技术方案。

在平时的观察中，我发现快速行驶中的摩托车在拐弯时，要倾斜一个很大的角度；天空中的飞鸟在盘旋时，其翅膀也呈在倾斜状，于是我想在行驶的公共汽车上，可以来安装一个装置来平衡离心力，当汽车急速拐弯时，乘客不会发生被伤害事件。

我的设计装置是这样的：把公共汽车的车箱，连同箱内站人的地板、座位，
放在一个能左、右两边升降的装置上，该装置受离心力控制。

当公共汽车急速右转弯时，会产生一个向左的离心力，这个离心力能推动液压系统工作，使左边的车箱往上抬升，从而使车厢人体保持平衡。

同样，当公共汽车急速左转弯时，离心力使右边的车箱往上抬升，使人保持平衡。

当然要设计出这个完善的能实际应用的装置，需用机械、电子等多方面的知识和技能。

现在，我还是个小学生，但我相信：将来，也许这个设想能通过我或我的同事们的手来实现。

参考文献
1《中国载人航天纪实》《扬子晚报》航天特刊2003.10.16
2 彭惠民:《离心力的妙用》《大众机械》1989。