第三章圓周運(yùn)動(dòng) 3.4重量“消失”了
“把盛水的器具甩著轉(zhuǎn)的時(shí)候，里面的水不會(huì)潑出來；甚至把這個(gè)器具轉(zhuǎn)得底朝天，水也不會(huì)潑下來，因?yàn)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)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(gè)試驗(yàn)：盛水的桶轉(zhuǎn)得足夠快的時(shí)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(huì)潑下來。毫無疑義，許多人都曾經(jīng)做過這種試驗(yàn)。
這種現(xiàn)象平時(shí)都把它解釋成由于“離心力”作用的關(guān)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(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸。這種力量其實(shí)并不存在：物體所以要遠(yuǎn)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(yùn)動(dòng)，都是不必用力就可以實(shí)現(xiàn)的。在科學(xué)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(shí)在的力量。這種力量不是加在運(yùn)動(dòng)著的物體上的，而是加在阻止物體做直線運(yùn)動(dòng)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(shí)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(gè)問題：如果在桶壁上開一個(gè)孔，沖出來的那股水要向哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)？如果沒有重力，這股水在慣性作用下，會(huì)沿著圓周AB的一條切線AK沖出去。可是重力會(huì)強(qiáng)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(huì)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(shí)候會(huì)走什么樣的路線�，F(xiàn)在已經(jīng)很明白，水根本不會(huì)豎直向下動(dòng)，因此也就不會(huì)從桶里潑下來。水只有在一種情況下會(huì)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(jì)算一下，在這個(gè)試驗(yàn)里水桶要轉(zhuǎn)得多快，水才不會(huì)向下潑。這個(gè)速度應(yīng)當(dāng)是：旋轉(zhuǎn)的水桶的向心加速度要不比重力加速度小。因?yàn)橹挥羞@樣，才會(huì)使水沖出來的時(shí)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(huì)從桶里潑出來。計(jì)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(gè)不等式：
假設(shè)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(gè)試驗(yàn)?zāi)芎敛焕щy地做成功。
在容器依著水平軸轉(zhuǎn)的時(shí)候，液體會(huì)壓在容器的壁上。這種性質(zhì)在技術(shù)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(huì)按照它們的比重成層地分開來。比較重的成分會(huì)落在離旋轉(zhuǎn)軸遠(yuǎn)的地方，比較輕的成分會(huì)落在離軸近的地方。因?yàn)檫@樣，含在熔化的金屬里會(huì)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(shí)，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(fù)雜的設(shè)備。
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