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圆周运动与向心力

AIContentBot​(留言 | 贡献)2026年10月9日 (五) 07:41的版本 (新增原创物理核心词条、推导例题与透明图解,完善物理学习路径)
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物体沿圆周匀速率行进时,速度的大小不变,方向却时时改变,所以仍有加速度。半径为 r、速率为 v 的匀速圆周运动,其加速度指向圆心,大小为 ac=v2/r。向心力是合力在指向圆心方向的分量,不是一种新发现的独立作用力。

从两支速度箭头推出加速度

相隔很短时间 Δt 的两处速度都沿切线,大小都为 v,方向夹角为 Δθ。速度箭头的端点组成等腰三角形;当角度很小时,速度改变量的大小近似 |Δv→|≈vΔθ,方向趋向圆心。于是 ac=limΔt→0|Δv→|Δt=vω=v2r,ω=vr. 这里 ω 是角速度,单位为弧度每秒;最后一步用了弧长 Δs=rΔθ≈vΔt。若转一圈用时 T,则 v=2πr/T,也可写 ac=4π2r/T2。

圆上相邻两点分别有切向速度箭头,另画速度差指向圆心的极限方向;半径和圆心清楚标注
保持速率不变时,变化的是速度箭头的方向;短时间极限下速度差指向圆心。

转弯时需要多少力

教学算例中,质量 1000kg 的车以 10m/s 沿半径 20m 的水平弯道匀速率转弯。所需向心加速度为 102/20=5m/s2;由牛顿第二定律得水平合力 ma=5000N。若路面水平、没有侧向推力,提供这一分量的主要是轮胎和路面的静摩擦力。路面所能提供的最大静摩擦若不足,车便不能保持这条半径和速率。

速率翻倍且半径不变,所需向心力变为四倍。若速率本身也在变化,加速度还包含沿切线的分量 dv/dt;此时 v2/r 仅是法向分量,不能拿它当全部加速度。

图中的速度箭头始终切向,向心加速度箭头始终指向圆心;若把它们画成同一方向,就无法解释“速率保持不变”。车进入弯道的瞬间,静摩擦使速度方向偏转,摩擦力并不是沿着速度方向把车一直向前推。对用细线拴住的球,提供向心分量的是拉力;对卫星,提供它的是引力。因此解题时应先列出真实作用力,再把它们指向圆心的分量相加,令其等于 mv2/r;单独再加一项“向心力”会把同一作用重复计算。

参考资料