什麼是離心力?
離心力是物體沿圓形路徑運動時,所感受到的一股「向外」的視在作用力。在旋轉參考系中,一個質量為 \(m\)、以切線速度 \(v\) 繞半徑 \(r\) 圓周運動的物體,看起來像是被推離圓心。它的大小與維持物體做圓周運動的向心力相等,但方向相反、指向外側。本計算機採用一致的 SI 單位制(公斤、公尺、秒),適用於各類物理與工程問題。
如何使用本計算機
請輸入物體的質量(單位:公斤)、切線速度(單位:公尺/秒),以及圓形路徑的半徑(單位:公尺)。本工具會算出以牛頓為單位的離心力,並一併提供角速度(\(\omega = v/r\))與向心加速度(\(a = v^{2}/r\)),方便您參考。
公式解析
核心公式為 $$F = \frac{\text{Mass (kg)} \cdot \text{Velocity (m/s)}^{2}}{\text{Radius (m)}}$$ 作用力與質量成正比、與速度的平方成正比(速度加倍,作用力會變成四倍),並隨半徑增大而減小。若以角速度 \(\omega = v/r\) 表示,同一個力也可寫成 $$F = m \cdot \omega^{2} \cdot r$$ 對應的向心加速度則為 \(a = v^{2}/r = \omega^{2} \cdot r\)。
實例演算
假設一個 2 kg 的物體,在半徑 1.5 m 的圓周上以 5 m/s 運動。則 $$F = \frac{2 \times 5^{2}}{1.5} = \frac{2 \times 25}{1.5} = \frac{50}{1.5} \approx 33.33 \text{ N}$$ 其角速度為 \(\omega = 5 / 1.5 \approx 3.33 \text{ rad/s}\),向心加速度為 \(a = 25 / 1.5 \approx 16.67 \text{ m/s}^{2}\)。
常見問題
離心力是「真實」的力嗎?它是一種虛擬力(慣性力),只會在旋轉參考系中出現。若從慣性參考系來看,真正存在的是指向圓心的向心力。
該使用什麼單位?請使用 SI 單位:公斤、公尺與公尺/秒,這樣算出的作用力才會是牛頓。
增加半徑會發生什麼事?在速度固定的情況下,半徑越大,作用力越小,因為路徑的彎曲程度變得較為平緩。