趣味物理：为什么水桶甩着转的时候里面的水不会泼出来？

趣味物理：为什么水桶甩着转的时候里面的水不会泼出来？“把盛水的器皿甩着转的时候 ,里面的水不会泼出来;甚至把这个器皿转得底朝天 ,水也不会泼下来。因为旋转运动阻止着水泼出来。这是二千年前亚里士多德写的几句话。图178画的就是这个试验：盛水的桶转得足够快的时候 ,即使你把桶转得桶底朝天 ,像图上所画的那样 ,桶里的水也不会拨下来。毫无疑义 ,许多人都曾经做过这种试验。这种现象平时都把它解释成由于“离心力作用的关系。离心力是一种想象的力 ,它好似是加在物体上的 ,物体受了它的作用 ,总想远离旋转轴。这种力其实并不存在：物体所以要远离旋转轴 ,不过是惯性的一种表现 ,而所有由于惯性的运动 ,都是不必用力就可以实现的。在科学里 ,离心力的意思不是别的 ,只是旋转着的物体拉紧缚住它的线或是压在它的曲线轨道上的实在的力。这种力不是加在运动着的物体上的 ,而是加在阻止物体做直线运动的障碍物线、转弯地方的铁轨等上面的。让我们抛弃掉那种意义不明确的离心力的概念 ,来研究水桶旋转时候所产生的现象的原因。我们可以先向自己提出这样一个问题：如果在桶壁上开一个孔 ,冲出来的那股水要向哪个方向运动?如果没有重力 ,这股水在惯性作用下 ,会沿着圆周AB的一条切线AK冲出去(图178)。可是重力会强迫这股水落下来 ,形成一条曲线(抛物线AP)。如果圆周速度够大 ,这条曲线就会落在圆周AB的外面。所以这股水告诉我们 ,如果不是桶阻碍着 ,在桶转的时候水会走什么样的路线。现在已经很明白 ,水根本不会竖直向下落 ,因此也就不会从桶里泼出来。水只有在一种情况下会从桶里泼出来 ,就是桶口朝着旋转的方向。现在让我们来计算一下 ,在这个试验里水桶要转多快 ,水才不会向下设。这个速度应当是：旋转的水桶的向心加速度要不比重力加速度小。因为只有这样 ,才会使水冲出来的时候所走的路线落在水桶所画的圆周的外面 ,而桶不管转到哪里 ,水也不会从桶里泼出来。计算向心加速度a的公式是：a=v2/R在这里 ,v是圆周速度 ,R是圆形路线的半径。在地球外表上的重力加速度g=9.8米/秒2 ,因此我们就有了一个不等式：v2/R≥9.8假设R等于70厘米 ,那么 ,v2/0.7≥9.8所以 ,v≥2.6米/秒很容易算出 ,要得到这样大的圆周速度 ,只要我们拿绳的手每秒钟大约转三分之二圈就够了。这样的旋转速度是完全可以做到的 ,所以这个试验能毫不困难地做成功。在容器依着水平轴转的时候 ,液体会压在容器的壁上。这种性质在技术上已经利用在所谓离心浇铸上。这里主要的是：不均匀的液体会按照它们的密度成层地分开来。比较重的成分会落在离旋转轴远的地方 ,比较轻的成分会落在离轴近的地方。因为这样 ,含在熔化的金属里会在铸件里造成气泡的气体 ,就从金属里别离出来 ,跑到铸件里面的空处。用这种方法铸成的铸件比较密实 ,并且不含气泡。离心浇铸法比普通的压铸法本钱低 ,并且不需要复杂的设备。2 / 2