4.失重现象

早在两千多年前，亚里士多德就这样写道：“如果我们旋转盛有水的器具，里面的水不会被甩出来，就算是让器具底朝天，里面的水仍然掉不出来，旋转在这里起到了至关重要的作用”。图31生动地向我们展示了这个实验，读者们肯定都会对这样的情况感到熟悉：如果旋转的水桶的转速足够快的话，那么就算是让水桶的顶部向下，也不会让水掉落下来。这就是所谓的“离心力”，它可以解释上述现象。通常情况下，我们认为“离心力”是一种施加在物体上的力，物体受到离心力的作用后，就会从旋转轴心的力中分离出去。事实上，这个世界上不存在离心力，物体从未从旋转轴心中分离出去，导致这样的结果是因为惯性的作用，而任何由惯性引起的运动，都有一个明显的特征，那就是这些运动都缺乏力的介入。物理学是这样解释离心力的：离心力是一种真实存在的力量，它能够让旋转的物体对系线产生拉力或是压在其曲线的轨道上。离心力并不会把力施加在运动的物体上，它起到的作用是阻碍做直线运动的物体的移动，比如拉线和弯曲部分的轨道等。

我们在这里不谈离心力是否存在的概念，我们今天要研究的是为什么将水桶旋转起来会发生这样的现象。首先，我们问自己这样一个问题：假如我们在桶壁上弄出一个孔，桶中的水流的流动方向是怎样的？如果我们撇开重力不谈，那么，在惯性的作用下，水流会顺着圆周AB的切线AK流淌出来（图31）。不过水流并不是没有重量的，因此，水流在重力的影响下，会顺着曲线AP（抛物线）掉落下来。倘若圆周速度达到足够快的时候，我们会在圆周AB的外围发现曲线AP。通过这股水流我们可以得知，假如我们将桶壁去掉，桶里的水的流动线路是怎样的。我们现在都已知道，水流的流动方向绝不是竖直向下的，所以，水流不会从桶内直接落到地上。这样一来，只剩下一种情况，那就是水的流动方向跟桶口朝向与旋转方向保持一致。

图31　水并不会洒出来

我们可以做这样的计算，在这个实验中水桶在多大的旋转速度下，才能避免桶里的水被甩出来。从理论上讲，旋转木桶的向心加速度必须大于重力加速度，水桶才能获得这样的转速。只有在这样的情况下，桶里被甩起来的水才会落在移动的水桶圆周轨迹的外侧，如此一来，水桶可以随意旋转，而不担心桶里的水被甩出来。我将计算向心加速度W的公式列在了下面：

v在公式里代表圆周速度，圆形轨迹的半径则用R来表示。如果我们将地球表面的重力加速度g=9.8m/s2考虑进去的话，我们就会得出如下不等式：

设R=70cm，那么

不难计算，如果我们每秒能够让牵绳子的手旋转圈，就可以达到这样的圆周转速。这对我们而言简直是小菜一碟，所以，我们可以圆满地完成这个实验。

如果容器的转动方向是围着水平轴转动的，那么容壁上就会出现被挤压的液体。充分利用这一原理的例子就是离心浇铸技术。它利用的原理是：液体的比重不一致，产生的层次也就不同。远离旋转轴的成分比重大，接近旋转轴的成分比重小。如此一来，存在于金属溶液中的气体被释放了出来，它们全都跑到了铸件的空隙之处，将原本产生气泡的空间占用了。通常情况下，通过这种方法铸成的铸件没有气泡，非常坚固。而且它的最大好处是不用操作非常复杂的仪器，因为离心浇铸的成本大大低于普通的浇铸成本。