4.失重現(xiàn)象

早在兩千多年前，亞里士多德就這樣寫道：“如果我們旋轉(zhuǎn)盛有水的器具，里面的水不會(huì)被甩出來(lái)，就算是讓器具底朝天，里面的水仍然掉不出來(lái)，旋轉(zhuǎn)在這里起到了至關(guān)重要的作用”。圖31生動(dòng)地向我們展示了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，讀者們肯定都會(huì)對(duì)這樣的情況感到熟悉：如果旋轉(zhuǎn)的水桶的轉(zhuǎn)速足夠快的話，那么就算是讓水桶的頂部向下，也不會(huì)讓水掉落下來(lái)。這就是所謂的“離心力”，它可以解釋上述現(xiàn)象。通常情況下，我們認(rèn)為“離心力”是一種施加在物體上的力，物體受到離心力的作用后，就會(huì)從旋轉(zhuǎn)軸心的力中分離出去。事實(shí)上，這個(gè)世界上不存在離心力，物體從未從旋轉(zhuǎn)軸心中分離出去，導(dǎo)致這樣的結(jié)果是因?yàn)閼T性的作用，而任何由慣性引起的運(yùn)動(dòng)，都有一個(gè)明顯的特征，那就是這些運(yùn)動(dòng)都缺乏力的介入。物理學(xué)是這樣解釋離心力的：離心力是一種真實(shí)存在的力量，它能夠讓旋轉(zhuǎn)的物體對(duì)系線產(chǎn)生拉力或是壓在其曲線的軌道上。離心力并不會(huì)把力施加在運(yùn)動(dòng)的物體上，它起到的作用是阻礙做直線運(yùn)動(dòng)的物體的移動(dòng)，比如拉線和彎曲部分的軌道等。

我們?cè)谶@里不談離心力是否存在的概念，我們今天要研究的是為什么將水桶旋轉(zhuǎn)起來(lái)會(huì)發(fā)生這樣的現(xiàn)象。首先，我們問(wèn)自己這樣一個(gè)問(wèn)題：假如我們?cè)谕氨谏吓鲆粋€(gè)孔，桶中的水流的流動(dòng)方向是怎樣的？如果我們撇開(kāi)重力不談，那么，在慣性的作用下，水流會(huì)順著圓周AB的切線AK流淌出來(lái)（圖31）。不過(guò)水流并不是沒(méi)有重量的，因此，水流在重力的影響下，會(huì)順著曲線AP（拋物線）掉落下來(lái)。倘若圓周速度達(dá)到足夠快的時(shí)候，我們會(huì)在圓周AB的外圍發(fā)現(xiàn)曲線AP。通過(guò)這股水流我們可以得知，假如我們將桶壁去掉，桶里的水的流動(dòng)線路是怎樣的。我們現(xiàn)在都已知道，水流的流動(dòng)方向絕不是豎直向下的，所以，水流不會(huì)從桶內(nèi)直接落到地上。這樣一來(lái)，只剩下一種情況，那就是水的流動(dòng)方向跟桶口朝向與旋轉(zhuǎn)方向保持一致。

圖31　水并不會(huì)灑出來(lái)

我們可以做這樣的計(jì)算，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中水桶在多大的旋轉(zhuǎn)速度下，才能避免桶里的水被甩出來(lái)。從理論上講，旋轉(zhuǎn)木桶的向心加速度必須大于重力加速度，水桶才能獲得這樣的轉(zhuǎn)速。只有在這樣的情況下，桶里被甩起來(lái)的水才會(huì)落在移動(dòng)的水桶圓周軌跡的外側(cè)，如此一來(lái)，水桶可以隨意旋轉(zhuǎn)，而不擔(dān)心桶里的水被甩出來(lái)。我將計(jì)算向心加速度W的公式列在了下面：

v在公式里代表圓周速度，圓形軌跡的半徑則用R來(lái)表示。如果我們將地球表面的重力加速度g=9.8m/s2考慮進(jìn)去的話，我們就會(huì)得出如下不等式：

設(shè)R=70cm，那么

不難計(jì)算，如果我們每秒能夠讓牽繩子的手旋轉(zhuǎn)圈，就可以達(dá)到這樣的圓周轉(zhuǎn)速。這對(duì)我們而言簡(jiǎn)直是小菜一碟，所以，我們可以圓滿地完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)。

如果容器的轉(zhuǎn)動(dòng)方向是圍著水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)的，那么容壁上就會(huì)出現(xiàn)被擠壓的液體。充分利用這一原理的例子就是離心澆鑄技術(shù)。它利用的原理是：液體的比重不一致，產(chǎn)生的層次也就不同。遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸的成分比重大，接近旋轉(zhuǎn)軸的成分比重小。如此一來(lái)，存在于金屬溶液中的氣體被釋放了出來(lái)，它們?nèi)寂艿搅髓T件的空隙之處，將原本產(chǎn)生氣泡的空間占用了。通常情況下，通過(guò)這種方法鑄成的鑄件沒(méi)有氣泡，非常堅(jiān)固。而且它的最大好處是不用操作非常復(fù)雜的儀器，因?yàn)殡x心澆鑄的成本大大低于普通的澆鑄成本。