非慣性座標--假想力
這是一個假想的物理情境:如上圖
請先想好答案,再按 Start 啟動動畫。 程式讓你與空心盒子一起運動。
在非慣性座標系內 觀察單擺的運動。
你可以在斜面左上角(與邊框交接處)按下滑鼠後,上下移動改變斜坡傾斜度。
若你 想好為什麼後,可勾選 info 將會顯示 在非慣性座標內的力圖分析。
請千萬不要急著看答案,先自己想一想, 否則 對於你的幫助並不大。
想好後, 再按 力圖解說
觀看進一步說明。
假想力?
什麼是假想力?
牛頓運動定律 只適用於 慣性座標,或者說
滿足 牛頓運動定律 的座標系統 稱為 慣性座標系。
而且 對於 任一 慣性座標系 相對等速度運動 的座標系 也是 慣性座標系。
但是 若是有相對 加速度的座標系 則 不是 慣性座標系。
例如: 當我們用線綁著一個小物體,用手讓物體在水平面上旋轉。(圓周運動)由於繩子對物體施向心的作用力,使得物體呈現
圓周運動。
若是切斷繩子,物體不受力,則物體會沿切線方向拋出。
由於 向心力的作用 使的原本要沿切線方向運動的物體,
向圓心 加速,結果 恰好保持 物體的軌跡一直在一個圓周上。如圖
上圖代表物體以速率 Vo 繞半徑 R 做圓周運動
紅線代表 於 時間 t 內沿切線所行進距離(假設 t 很小,t → 0)
紫線代表 於 時間 t 內受向心加速度 a
所落下距離。
則由 畢氏(勾股弦)定理,
( R + 0.5 a
t2 )2=
R2 + (Vo
t)2
R2 + R a t2≒
R2
+ (Vo t)2 (
忽略 t4 項)
R a t2=
(Vo
t)2
∴ a = (Vo)2/ R
上式 不就恰好 是 等速率圓周運動 所需的向心力嗎?
所以我說向心力恰好使得物體落下來後恰落在圓周上。
(好巧喔!)
(參考 月球的軌道和皮球的拋體軌跡
java
動畫)
若是有另一個觀察者 隨著轉動物體 一起運動,則 該座標系統 在加速,不再是
慣性座標系。因此 該座標系上的觀察者 雖然知道繩子一直對物體施力。
但是 相對於 該座標系上的觀察者而言 ,那個物體卻是 靜止不動的。物體受力
但是 卻沒有改變物體的運動狀態。
牛頓運動定律 瓦解,不在適用。怎麼辦呢?
有人 假想 如果存在一個 假想的力量 (離心力),此力恰好抵銷 物體所受的張力。則物體所受合力就等於零。於是
又能滿足 牛頓運動定律。
因此 藉由這種 假想力 使得 我們也可以處理 非慣性座標系統內的力學問題。這種
假想力(離心力)
實際上是不存在的。
但是 有時候 我們往往 誤以為 假想力 是真實的。例如:當坐在 車上,車子突然轉彎時,車上的人會感覺被拋向轉彎的另一個方向(外側)。以為受到離心力
被拋向外側。(因為當時汽車變成 非慣性座標系)
但是 車外的人觀察: 由於 車上的人原本像某一方向等速度運動,因此 車子雖然轉彎了,但是
車上的人上半身仍然像原來方向運動,(也就是車上的人感覺被拋出去的方向)。因此
根本沒有 離心力 的存在,人會被拋向車子側邊,完全是慣性的因素。
又如: 停止的車子,瞬間啟動,上半身感覺會向後仰。車外(慣性座標系)的觀察者可明顯的看出,事實上乘客的上半身並沒有動(慣性),是車子拉著屁股向前。行進中的車子,突然煞車也有類似的情形。當我們在處理
拋球等問題時,地球表面可以視為一個慣性座標系。但是 當處理 颱風,氣流或長程飛彈等
問題時,則地球本身已經不能視為慣性座標系。而必須加上 假想的 『科氏力』等假想力來處理。又如
很長的單擺 便可看出(相對地面)並不在 同一個平面上擺動。你是否對於 假想力
與慣性座標系 有進一步的認識了呢:
歡迎批評指教!電子郵件 : 請按 hwang@phy03.phy.ntnu.edu.tw
作者:國立台灣師範大學 物理系 黃福坤
最後修訂時間: