引入

绳子拴着小球转圈,松手后小球为什么沿切线飞出,而不是沿着半径飞出去?

为什么向心力不是一种新的力?

为什么同样的速度过弯,半径越小越容易打滑?

向心力最容易误解的一点是:它不是“多出来的一种力”,而是已有合外力在法向的分量。找不到施力物体,就没有向心力。

正文

定义

物体沿圆周或曲线轨道运动时,指向圆心(曲率中心)的合外力分量,大小为

向心加速度

向心加速度只改变速度的方向,不改变速率。这一点决定了它始终垂直于速度,因此瞬时功率为零。

推导

由加速度定义式 出发。在轨迹上取 两点,速度方向分别垂直于对应的半径。

由 作矢量三角形,可得 。当 、 非常接近时,这个三角形与半径三角形 相似:

因为 极小时,弧长与弦长近似相等,,于是

推导的关键近似是“小角度下弦长趋近弧长”。角度不小的时候,这个式子仍然成立,因为极限过程已经取完。

向心力公式

推导

由牛顿第二定律、向心加速度和角速度:

向心力的来源

向心力只是“角色”,不是“种类”。实际提供它的可以是:

场景向心力来源
绳系小球绳的拉力
汽车转弯轮胎与地面的静摩擦力
卫星绕地球万有引力
电子绕核(经典模型)库仑力
圆锥摆重力与拉力的合力

分析题目的第一步永远是:先找施力物体,再分解到法向。不要一上来就写 ,那样容易把不存在的力写进去。

常见误区

错误说法问题
“物体受到向心力,同时还受离心力”惯性系中没有离心力
“向心力是一种新的力”它是合外力的法向分量
“速度越大向心力越大,所以转弯半径越大”速度增大需要更大向心力,若力不够则半径被迫增大

引出

当使用自然坐标系分析时,向心加速度就是法向加速度,切向加速度负责改变速率。

圆锥摆的周期与摆角有什么关系?

非匀速圆周运动中,向心力公式还成立吗?