離心力與向心力

文/露  |2022.08.03
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圖/123RF

文/露 

雲霄飛車最吸引人之處,不外乎是俯衝的速度感與急速轉彎時,被向外飛拋的刺激感了!但究竟為什麼在急轉彎時會有這種被甩出去的感覺呢?是錯覺?還是真有其力量?讓我們一起來看看。

施力愈大 速度愈大

以最簡單的狀況來解釋,當物體做等速率圓周運動時,雖然速率未隨著時間改變,但不停的在變動方向,因此必然產生一種改變物體運動方向的力,即是沿著半徑指向圓周中心的拉力,將它稱為向心力(Centripetal Force)。

同一物體,對它施加的力量愈大,其加速度便愈大,另外作用力與加速度方向相同,亦即向心力與向心加速度的方向都是指向圓心,它牽引著物體改變其運動方向。然而圓周上的物體(車上乘客、傘上水滴……等)因為慣性使然,有著往圓周之切線方向的衝力,每一瞬間累積加總起來,就類似於有一股力作用在離心的方向,感受到的便是背著圓心的拉力。由此可知,離心力(Centrifugal Force)其實是種假想力(亦稱慣性力),但我們卻藉著向心力而感受到它。

向心合外 離心虛擬

離心力與向心力充斥在我們的日常中,只是我們習慣了這些物理現象。除了雲霄飛車的例子,行駛交通工具,急速轉彎時,會有種被向外甩動的感覺吧?騎乘機車或腳踏車時,我們也會利用身體的力量向內壓車,來順利轉彎,這也是為什麼專業的自行車競技場上,彎道處的軌道總是設計成傾斜面,讓選手利於轉彎。

還有洗衣機的脫水功能,也是在旋轉的加速與減速過程,讓衣物上的水分因慣性作用而甩除,而水是從哪個方向脫離的呢?物體進行圓周運動時,速度的方向為切線方向,因此當物體擺脫束縛後,當然就沿著切線飛出囉!大家可以試著在雨天旋轉雨傘,就很容易驗證水滴由傘緣的切線方向飛濺出去這種現象了!

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