问题

在地球上的物体,要绕着太阳转,为何没感觉到离心力?

回答
您提出的问题非常深刻,触及了物理学中一个核心的概念:惯性参考系和非惯性参考系,以及我们如何感知力和运动。简单来说,我们感觉不到离心力,是因为我们与地球一起运动,我们身处一个非惯性参考系中,而离心力是我们在该参考系中为了解释这种运动而引入的“假想力”或“惯性力”。

为了详细解释这一点,我们需要从几个关键角度来剖析:

1. 什么是离心力?

首先,我们要明确离心力是什么。

牛顿第一定律(惯性定律): 一个不受外力或所受外力之和为零的物体,将保持静止或匀速直线运动状态。
匀速圆周运动: 为了让一个物体绕着中心(比如太阳)做圆周运动,必须有一个持续指向圆心的力作用在物体上,这个力叫做向心力。如果没有这个力,物体将沿着其切线方向做直线运动。
参考系是关键: 离心力是当我们选择了一个旋转的参考系来观察运动时,才“出现”的一个力。它并不是一个真实的、由相互作用产生的力(比如引力),而是由于我们自身也在旋转,并试图用牛顿定律来解释物体在旋转系中的运动而产生的。

想象一下你坐在一个快速旋转的游乐场飞椅上。当你松开手时,你不会沿着切线方向飞出去,而是会感觉到一股力把你往外推,这股力就是离心力。

2. 为什么我们感觉不到离心力?(从地球的运动来看)

我们之所以感觉不到“地球绕太阳运动”的离心力,主要有以下几个原因:

a) 我们与地球是同一个参考系:

相对静止: 我们生活在地球上,和地球一起绕着太阳运动。对于我们来说,地球是相对静止的。我们不会感觉到自己被甩出去,因为我们是随着地球一起“旋转”的。
惯性参考系 vs. 非惯性参考系:
惯性参考系: 一个不加速的参考系。在该参考系中,牛顿第一定律(惯性定律)成立。
非惯性参考系: 一个加速的参考系(包括旋转或直线加速)。在该参考系中,牛顿第一定律不再直接成立,为了维持牛顿定律的形式,需要引入“假想力”(也称为惯性力),离心力就是其中一种。
地球作为非惯性参考系: 地球绕太阳运动(虽然速度变化不大,但方向在不断改变,所以是一个加速运动),并且地球自身还在自转。所以,从宇宙的绝对静止角度看,地球是一个非惯性参考系。我们作为地球的一部分,也处在这个非惯性参考系中。

b) 向心力足够大,且被“隐藏”了:

太阳的引力是向心力: 是太阳强大的引力(万有引力)提供了地球绕太阳运动所需的向心力。这个力是真实存在的,它将地球“拉”向太阳,使其能够沿着近似圆形的轨道运动。
我们感知的是力的平衡(或者说惯性与引力的“妥协”): 在地球这个非惯性参考系中,我们可以这样理解:
1. 根据牛顿第一定律,如果不受力,地球(以及其上的我们)会想沿着直线飞出去。
2. 然而,太阳的引力正把我们拉向太阳,提供了一个向内的加速度。
3. 如果我们在地球这个旋转的参考系中观察,我们会“假想”一个与太阳引力大小相等、方向相反的“离心力”向外作用。
4. 正是因为太阳的引力(向心力)精确地抵消了(在地球参考系中观察到的)“想要飞出去”的趋势(即“离心力”),我们才能稳定地绕太阳运动,并且感觉不到被甩出去。

c) 速度相对“慢”且轨道“平滑”:

地球绕太阳的轨道速度: 地球绕太阳公转的平均速度大约是30公里/秒。虽然这个速度很大,但相对于我们日常感知到的速度,还是一个相对“缓和”的速度变化。
离心力的大小与速度平方和半径成正比: 离心力(或更准确地说,在旋转参考系中,为了保持物体运动所需的向心力的反作用力)的大小与物体的速度平方成正比,与轨道的半径成反比。 $F_{离心} = m omega^2 r = m frac{v^2}{r}$ (其中m是质量, $omega$ 是角速度, r是半径, v是线速度)。
地球轨道半径大: 地球到太阳的距离非常大(约1.5亿公里)。即使速度不小,巨大的半径也使得离心力效应相对不那么显著,不像游乐场飞椅那种近距离、高速旋转带来的强烈感受。
加速度的感知: 我们能明显感觉到“力”,通常是当加速度发生显著变化或者当加速度很大时。地球绕太阳的轨道运动的加速度(向心加速度)大约是 $a = v^2/r approx (30000 ext{ m/s})^2 / (1.5 imes 10^{11} ext{ m}) approx 0.006 ext{ m/s}^2$。这个值非常小,远小于地球表面的重力加速度(约9.8 m/s²)。我们对重力的感受如此强烈,是因为它提供了我们日常生活中的主要加速度参照。

3. 类比说明:

坐在汽车里: 当汽车加速时,你会被压在座椅上,感觉有一股力把你往后推。这是因为你的身体倾向于保持原有的速度(惯性),而汽车在加速,你相对于汽车来说是向后运动的。从汽车这个加速参考系来看,你感受到一股“推力”。
汽车转弯时: 当汽车快速转弯时,你会感觉被甩向转弯方向的外侧。这是因为你的身体倾向于沿着直线行驶(惯性),而汽车在改变方向。从汽车这个旋转(瞬间)参考系来看,你感觉到一股“离心力”将你向外推。

现在,回到地球绕太阳的问题:

地球就像坐在一个非常非常巨大的、以几乎恒定速度(但方向在变)运动的“轮子”上。
太阳的引力就像一根非常长的、非常结实的“绳子”,紧紧地系着地球,迫使它不断地改变方向,围绕太阳转动。
我们和地球是绑在一起的,所以我们不会因为这个运动而被“甩出去”。我们感受到的“离心力”只是我们为了在地球这个非惯性参考系中描述运动而引入的一个概念,它与太阳引力是相平衡的。

4. 历史上的理解和爱因斯坦的观点:

伽利略和牛顿: 他们认识到惯性的重要性,并建立了经典力学的框架。他们理解到,要改变物体的运动状态(如速度大小或方向)就需要力,而运动本身(在没有外力时)是自然的。
爱因斯坦的广义相对论: 爱因斯坦提出了更深刻的理解。他认为,引力本身并不是一种力,而是时空弯曲的表现。质量(如太阳)弯曲了周围的时空,而地球只是沿着这个弯曲时空中的“测地线”(最短路径)运动。在这种观点下,我们不必引入“离心力”来解释地球的轨道运动,因为地球只是在遵循时空本身的几何规律运动。我们感觉不到离心力,是因为我们只是在最“自然”的路径上运动,就像一个放在弯曲纸上的小球,它只是滚下去了,并没有受到一个“弯曲力”。

总结:

我们感觉不到地球绕太阳运动的离心力,最根本的原因是我们与地球处于同一运动状态,并且太阳的引力(向心力)作用在地球上,使得地球能够稳定地绕太阳运动。在地球这个非惯性参考系中,离心力是一个为解释这种运动而引入的惯性力,它在大小上与太阳引力(在地球参考系中的表现)相平衡,从而避免了我们被“甩出去”的感受。用爱因斯坦的观点来看,我们只是在弯曲的时空中沿着自然的路径运动,根本不存在需要“抵消”的离心力。

网友意见

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@沈强 的计算明显是错的。

其实原因很简单,我们只能感受到施加在我们身上的合力大小。绕着太阳转的的离心力和引力几乎是完全抵消的,我们当然感觉不到。

补充:

地球自转和公转与引力的抵消,不同于我们坐在车中或是在旋转木马上的抵消。因为离心力是作用于我们身上每一个部位的,而引力也是作用于我们身上每一个部位的,这两者是完全抵消的,所以我们是完全无法感受到的。而车急转弯和旋转木马等情况,所谓抵消(抵抗)离心力的力是摩擦力,或者弹力,这些力只作用于接触面(如脚底、屁股等),并不是作用于身体的每一部分,所以我们能感受到。

再补充:

其实从某种角度上来说,我们根本就感受不到任何加速度和力的作用,我们能感受到的是力差,加速度差。

考虑你在一个失控的电梯中做自由落体运动,你能感受到引力的作用么?即使你在以9.8m/s^2的速度在加速,但事实上你感受不到任何力!因为你所有的部件在一起以9,8m/s^2在加速。这个9.8m/s^2的加速度和你在某个绕日轨道漂浮着受到的向心力产生的加速度的效果(即使他们根本不在一个数量级)对你而言是一样的,你都感觉不到!

重力是这样特殊的一种力,他与你的质量(引力质量)成正比,而你的加速度又与你的质量(惯性质量)成反比。这样的结果就是重力所产生的加速度与质量完全无关!在引力场中的同一个位置的不同质量的东西,其引力加速度是完全一样的。

有人一直在纠结圆周运动也受到了力,没错,有向心力才能保持圆周运动。但事实上由于上面的因素。在引力场中,引力的大小你根本就感觉不到。也就是说只要是在引力场中,不论引力大小如何,你的感受都是差不多的,除非靠近一个质量巨大的东西在你头和脚产生了潮汐力。

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哈哈哈哈哈哈哈哈!!!目前的最高票答案以及下面的很多说是因为作用太小的答案完完全全讲错啦!请大家务必把我顶起来呀!!!!

人感受不到绕日运动的离心力或者说没有要被甩出去的感觉根本与受力大小无关好么!看见你们如此认真地算数据简直不要太逗。。。

实际上不论恒心质量多大,行星轨道半径多短,向心加速度多大,人们都不会感受到任何离心力或者说被甩出去的感觉。如果是在一个封闭的箱子中人们是没办法知道自己有没有围绕一颗恒心做轨道运动。甚至如果不考虑潮汐力以及各种乱七八糟的相对论效应的话,把你装在箱子里绕着黑洞转你也什么都不知道。

原因很简单,一言以蔽之,人们在轨道运动中受到的离心力被太阳作用在人身体上每一个分子的万有引力给平衡了,所以感受不到这方面力的存在。

介于很多同学不喜欢拿离心力说事,也不承认离心力的存在,我们可以在惯性参考系下对比游乐场旋转座椅与万有引力轨道运动的区别,看完之后自然明白为什么我们既感受不到绕日运动的向心加速度,也感受不到万有引力。

最后还想提醒一下大家!万有引力与离心力(惯性力)并无本质区别!不要别人一说离心力就有人跳出来说没上过高中,这个问题如果在非惯性参考系下用离心力(惯性力)分析更为简单直接,不管轨道是正圆、椭圆、抛物线、双曲线人们都不会感受到相关的力。有空再表。

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