⾼中物理:离⼼运动
做匀速圆周运动的物体,在合外⼒突然消失或所受外⼒不⾜以提供做圆周运动所需的向⼼⼒时,物体就做逐渐远离圆⼼的运动,称为离⼼运动。
1、离⼼运动的条件:
1)当产⽣向⼼⼒的合外⼒突然消失,物体便沿所在位置的切线⽅向飞出。
2)当产⽣向⼼⼒的合外⼒不完全消失,⽽只是⼩于所需要的向⼼⼒,物体将沿切线和圆周之间的⼀条曲线运动,远离圆⼼⽽去。
3)对离⼼运动的进⼀步理解
当F=mω2r时,物体做匀速圆周运动。
当F= 0时,物体沿切线⽅向飞出。
当F<mω2r时,物体逐渐远离圆⼼。
当F>mω2r时,物体逐渐靠近圆⼼。
2、离⼼现象的本质分析
离⼼现象的本质——物体惯性的表现。
分析:做匀速圆周运动的物体,由于本⾝有惯性,总是想沿着切线⽅向运动,只是由于向⼼⼒作⽤,使它不能沿切线⽅向飞出,⽽被限制着沿圆周运动。如果提供向⼼⼒的合外⼒突然消失,物体由于本⾝的惯性,将沿着切线⽅向运动,这也是⽜顿第⼀定律的必然结果。如果提供向⼼⼒的合外⼒减⼩,使它不⾜以将物体限制在圆周上,物体将做半径变⼤的圆周运动。此时,物体逐渐远离圆⼼,但“远离”不能理解为“背离”。做离⼼运动的物体并⾮沿半径⽅向飞出,⽽是运动半径越来越⼤。
3、离⼼运动的应⽤实例
⑴洗⾐机的脱⽔筒。
洗⾐机的脱⽔筒中的⾐物上的⽔滴,在脱⽔筒⼯作时,⽔滴需要的向⼼⼒由什么决定?
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提供的向⼼⼒由什么决定?什么情况下,⽔滴将被甩出?转速⾼时容易甩⼲⾐物,还是转速低时容易甩⼲⾐物。
⑵棉花糖的产⽣。
砂糖先⾼温熔化成液态再被甩出即成棉花状。
⑶⽤离⼼机把体温计的⽔银柱甩回玻璃泡内。
4、离⼼运动的防⽌实例
⑴汽车拐弯时的限速。
在公路转弯处,为什么车辆⾏驶不允许超过规定的速度?提供车⼦的向⼼⼒由什么决定?公交车转弯时,售票员或车上⼴播会提醒乘客:“前⾯转弯,请乘客站稳扶好。”为什么?
⑵⾼速旋转的飞轮、砂轮的限速。
例、汽车沿半径为R的圆跑道匀速⾏驶,设跑道的路⾯是⽔平的,路⾯作⽤于车的最⼤静摩擦⼒是车重
的0.10倍,要使汽车不⾄于冲出圆跑道,车速最⼤不能超过多少?
解析:如果不考虑汽车⾏驶时所受的阻⼒,那么汽车在圆跑道匀速⾏驶时,轮胎所受的静摩擦⼒F(⽅向指向圆⼼)提供向⼼⼒。车速越⼤,所需向⼼⼒也越⼤,则静摩擦⼒F也越⼤,但本题中的向⼼⼒不可能超过路⾯作⽤于车的最⼤静摩擦⼒F m,车重的0.10。设车速的最⼤值
为v m,则
得:
汽车沿半径为R的圆跑道匀速⾏驶时的速率不能超过,不然会冲出圆跑道,因为这时最⼤静摩擦⼒不⾜以提供汽车做圆周运动所需的向⼼⼒,汽车就脱离原来的圆跑道做离⼼运动了。