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离心力

物理学名词

离心力（centrifugal force），是一种在旋转参考系中的惯性力，对于一个以角速度旋转的参考系，物体与旋转轴的距离为r，质量为 m，物体所受离心力的大小可以用公式F＝ mω2r表示，沿半径方向背离转轴中心向外。由于物体具有惯性，试图保持物体沿原来直线运动的趋势，因此存在离心力。

定义
离心力，是非惯性参考系中“惯性离心力”的简称，是一种惯性的表现，属于惯性力。在以ω为角速度旋转的参考系中，距离转轴为r处，质量为m的物体所受离心力的大小为：
方向沿半径背离旋转轴向外。
离心力是非惯性参考系中的虚拟力，不存在实际的施力物体和相应的反作用力。在惯性参考系中不存在离心力。
引入离心力的必要性
所有位置和速度的测量都必须相对某一坐标系，而物理上坐标系不能脱离参照物，也就是需要预先选定一个物体作为参照物，再建立参考系。有时选择旋转参考系描述旋转系统往往会更方便。而旋转参考系是非惯性系，且牛顿第二定律不适用于非惯性系。为了在非惯性系中解决牛顿定律的应用问题，我们在非惯性参考系中引入惯性离心力，使形式上牛顿第二定律在非惯性系中仍适用。
例如，设想一个绕其中心以角速度 ω 旋转的圆盘。在圆盘上，通过一根长度为 r 的绳子固定在旋转中心的质量为 m的木块随圆盘转动。假设系统中不存在任何摩擦力，木块的旋转完全由绳子的拉力维持。在与圆盘一同旋转的参考系中，也即非惯性参考系中，观察者会发现木块静止不动。
根据牛顿第一定律，一个物体保持静止状态或匀速直线运动，除非受到外力的作用。然而，在非惯性系中，由于参考系本身的加速运动，牛顿定律需要通过引入惯性力来修正才能适用。在本例中，木块只受到一个实际力——绳子的向心拉力。为了满足牛顿定律，必须引入一个大小等于 、方向指向半径外侧的离心力来平衡绳子的拉力。
因此，在随圆盘转动的观察者看来，木块同时受到向心拉力和等大反向的离心力作用，两力相互抵消，合力为零，木块维持在静止状态。这样，牛顿定律在非惯性系中仍然得以满足，有助于计算非惯性系中牛顿定律的应用问题。
推导
在旋转参考系中，任何关于时间的函数矢量的时间导数——例如物体的速度和加速度矢量——将与其在惯性参考系中的时间导数有所不同。如果是矢量相对于指向旋转框架轴的单位矢量的分量（即），那么 的时间导数 关于旋转参考系的定义为：
如果旋转参考系的绝对角速度为，则 关于惯性参考系的导数 与关于旋转参考系的导数 通过以下等式关联：
这里的 表示矢量叉积。换句话说， 在惯性系中的变化率是其在旋转系中表观变化率和由旋转系的运动引起的变化率 的总和。矢量 的大小 等于旋转速率，并且根据右手定则沿旋转轴方向。
牛顿运动定律将质量为 的物体的运动表达为矢量形式：
其中 是作用于物体的合外力，是物体的绝对加速度（即在惯性参考系中的加速度），表达为：
这里 是物体的位置矢量，而非前文中使用的半径。
表示位矢相对于惯性参考系的导数，表示位矢相对于旋转参考系的导数，表示物体相对于旋转参考系的加速度。则物体的绝对加速度可以写为：
旋转参考系中的视加速度为。不知道旋转的观察者会期望在没有外力的情况下该值为零。然而，牛顿运动定律仅适用于惯性系，并用绝对加速度来描述动力学 。因此，观察者将上式中的其他项视为虚拟力的贡献。当这些力相加时，运动方程的形式为：
其中，为真实存在的外力，为欧拉力，为科里奥利力，为离心力。后三项均为虚拟的惯性力。
发展历史
在1673年的《摆钟论》中，惠更斯写道：
除了我们迄今研究的摆动以外，还存在另一种摆动形式；即使悬挂的重物沿圆周运动。因此，在我们发明第一个时钟的同时，也构思了另一款时钟。[...] 我本打算在此发布这些时钟的详细设计，以及关于圆周运动和所谓的离心力的论述，因为在这个话题上我还有更多内容想要分享，目前无法一一详述。但是，为了让对此感兴趣的人更早地了解这些新颖且有用的思考，以免突发事件妨碍发布，我决定打破原计划，增补了这第五部分[...]。
同年，艾萨克·牛顿通过亨利·奥尔登堡收到了惠更斯的著作，并回复说：“请向惠更斯先生表达我的谦卑感谢[...]我很高兴期待关于‘离心力’的进一步论述，这种理论在自然哲学、天文学及机械学中都极有价值。”
到了1687年，在《原理》中，牛顿进一步发展了离心力的概念。在这段时间，牛顿、戈特弗里德·威廉·莱布尼茨和罗伯特·胡克进一步深化了离心力的理论。
到了18世纪晚期，现代对离心力的理解演变为在旋转参考系中表现的一种“虚拟力”。
离心力也在经典力学中关于绝对运动检测的争论中扮演了重要角色。牛顿提出了两个实验来回答是否可以检测到绝对旋转的问题：旋转水桶实验和旋转球体实验。根据牛顿的观点，在每个场景中，如果参考系相对于绝对空间发生旋转，那么离心力只能在物体的局部参考系（物体静止的参考系）中观测到。
大约在1883年，马赫原理提出，产生离心力和其他惯性效应的不是绝对旋转，而是远处恒星相对于局部惯性参考系的运动，这通过某种假定的物理法则实现。现代观点基于惯性参考系的概念，优先考虑那些物理定律表现最为简单的参考系，特别是在描述运动时无需引入离心力的参考系。
大约在1914年，离心力（有时用于模拟人造重力）与引力之间的类比推动了广义相对论中等效原理的提出。
离心现象
物体做圆周运动需要一定的向心力，当做圆周运动的物体在向心力减小或突然消失时，物体会做逐渐远离圆心的运动，这种运动叫做离心运动，这种现象叫做离心现象。
生活中有很多离心现象。例如车辆绕弯，当人正在坐车，汽车在弯道上转弯的时候，乘客的身体也跟着一起改变运动方向，但由于惯性乘客的身体会想要保持运动方向不变，继续向前运动，乘客会感觉像有一种外力把身体往车外牵引。
由于地球绕地轴自转，使得地面上物体相对地球参考系来说，受到离心力作用，有远离地心的趋势。在赤道上，物体距地轴距离r最大，由可知离心力更大，并且部分抵消了重力。因此，赤道上的人会感受到较小的有效重力，体重也会因此略轻。
计算表明，赤道处的离心加速度约为0.03米/秒2，尽管相对于重力加速度（约9.8米/秒2）很小，但它足以使赤道上的体重比北极轻约0.3%。
应用
洗衣机
离心力洗衣机洗衣内桶高速旋转产生离心力，衣物在离心力作用下贴在筒壁上，水在离心力作用下高速穿透衣物，将衣物中的污垢带走。此外，波轮洗衣机与滚筒洗衣机也是利用离心现象对衣服进行甩干，高速旋转甩出衣服中水分。
离心机
离心机是利用惯性离心力来分离液态非均相混合物的机械设备。由于不同相的物质密度不同，单位体积内受到的离心力大小也不同，使密度大的物质在外而密度小的物质在内，达到分离效果。离心机转速当低速离心时用r·min-1表示；当高速或超速离心时用相对离心力“g”表示，g为重力加速度。
航空航天
在宇宙飞船内的一切物体处于失重状态，这种失重状态会妨碍宇航员进行执行观察、实验等人物，因此在宇宙空间站里制造了“人造重力”，使宇航员能在接近日常生活条件下工作。将空间站围绕自身的中心旋转，在离心力的作用下，将空间站内人和物理向环壁挤压，产生近似于地面上的人和物对地面的作用，来产生“人造重力”。
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