經典物理：物體做圓周運動時的兩個有趣現象

合力方向怎麼判斷

物體做圓周運動時，其合力的方向與物體的線速度的方向垂直，也就是說，合力產生的加速度只是改變了物體沿圓周運動的線速度方向，而並沒有改變物體沿圓周運動時線速度的大小。但當物體做圓周運動時，有這麼兩個有趣的現象，其現象的背後可以令你更加擴寬物理學識。

第一，在一個勻速圓周運動的圓盤上放入一個木塊，這時，木塊相對與圓盤處於靜止狀態，同時，木塊也跟著圓盤一起繞著中心軸做勻速圓周運動，那麼，是什麼力來提供木塊繞著中心軸做圓周運動呢？

首先，咱們先對圓盤上的木塊進行合力的受力分析，圓盤上的木塊毫無疑問會受到自身的重力，再就是圓盤對木塊的支援力。由於木塊相對於圓盤處於靜止狀態，因此，木塊的重力與圓盤對木塊的支援力就是一對平衡力，故而木板在上下是沒有位移發生的。那麼，究竟是什麼力提供木塊繞著中心軸做勻速圓周運動呢？

不管怎麼說，既然圓盤在運動，那麼圓盤上的木塊就有對圓盤相對運動的趨勢，而木塊處於靜止平衡狀態，故而木塊與圓盤之間就一定存在著靜摩擦力，那麼，木塊受到的靜摩擦力的方向在哪裡呢？

我們知道，木塊在圓盤上運動，用微積分的知識可以理解為，圓盤上的木塊就是圓盤中的某個質點，而做勻速圓周運動的圓盤，圓盤上所有質點的線速度方向都在圓盤的切線方向上，這種理解並沒有什麼不合理之處。那麼，我們能不能這麼說，木塊相對於圓盤的靜摩擦力方向在圓盤線速度的反方向呢？

這種假設性的推論是建立在物體做直線運動狀態之上的，對於物體做圓周運動並不適用。如果靜摩擦力真的在圓盤質點的線速度切線的反方向上話，那麼就沒有力來提供木塊做勻速圓周運動了，故而，木塊受到的靜摩擦力一定直向軸心，這時的靜摩擦力就是用來提供木塊做勻速圓周運動的向心力了。

第二，汽車過拱橋時，也可以看成是汽車在做變速的圓周運動。當汽車行駛在拱橋的最高處時，對汽車進行受力分析。此時汽車受到了重力外，汽車還受到了拱橋頂對它的支援力。因此，汽車的重力與支援力的合力來提供汽車做圓周運動的向心力。

由於拱橋的圓心在下面，根據物體做圓周運動的規律可得，G-F=mV²/R。在此式中，G為汽車的重力，F為拱橋對汽車的支援力，m為汽車的質量，V為汽車的瞬時速度，R為拱橋的半徑，為了方便大家直觀的看出現象背後的有趣事情，我們可以將等式進行變化，即F=G-mV²/R。

由數學常識可知，只要是一個減法運算，都可以使等式的另一半為零。也就是說，當汽車的速度很大時，大到G-mV²/R等於零時，此時拱橋對汽車的支援力就為零了。根據牛頓第三定律可知，汽車對橋面的壓力與橋面對汽車的支援力為一對作用力與反作用力的關係，即它們大小相等，方向相反。

也就是說，當橋面對汽車的支援力為零時，汽車就對橋面的壓力也為零。根據失重的相關描述，此時的汽車處於完全失重狀態。汽車裡的人也處於完全失重狀態，這對司機以及乘客是相當危險的。故而，大家駕車經過橋頂時，為了自身以及家人的安全，請不要超過規定的過橋速度，不然後果難以想象啊！

物體做圓周運動的兩個有趣的現象，一是讓大家將前面所學到的物理常識進行整合，二是為了大家避險所用啊！