向心力:如何在 HSC 物理中辨識真正的作用力
學習如何運用向心力公式、辨識哪一種真實作用力提供向內合力,並避免常見的圓周運動錯誤。
一輛汽車以穩定的 15 m/s 繞過一個平坦彎道。它的速度表讀數沒有變化,因此很容易讓人以為它沒有加速度,也就沒有合力。但如果真的沒有合力,汽車就會繼續沿直線行駛。
在繼續閱讀之前,先預測汽車向左轉彎時合力的方向。向前?向後?向外?向內?
合力必須指向內側,也就是朝向圓形路徑的中心。這個向內的合力,就是我們所稱的向心力。
這裡重要的字是「合」。向心力不是某種神祕的額外力,並不會在物體沿圓周運動時突然出現。它是我們對摩擦力、張力、重力或正向力等真實作用力所產生的合併向內效果的稱呼。
01為什麼圓周運動需要力
想像把一顆球沿著完全光滑的地板滾動。在沒有水平力作用的情況下,球會沿直線運動。
現在想像你希望球沿著圓形路徑運動。你必須持續改變它的速度方向。這表示即使球的速率保持不變,它仍然在加速。

在每一個位置:
- 速度沿著圓的切線方向;
- 向心加速度指向圓心;
- 造成該加速度的合力也指向圓心。
如果向內的力突然消失,物體不會沿半徑方向向外飛出。它會沿著原本正在運動的方向繼續前進,也就是沿圓的切線方向。
這可以直接由牛頓第一運動定律推得。
如果你想先加強對這個運動情境中加速度部分的理解,請參閱向心加速度:為什麼在 HSC 物理中它指向內側。
02從向心加速度到向心力
對於以速率 \(\ v\ \) 沿半徑為 \(\ r\ \) 的圓形路徑運動的物體,其向心加速度的大小為
\[ a_c=\frac{v^2}{r} \]
其中:
- \(\ a_c\ \) 是向心加速度,單位為 \(\text{m s}^{-2}\);
- \(\ v\ \) 是速率,單位為 \(\text{m s}^{-1}\);
- \(\ r\ \) 是圓形路徑的半徑,單位為公尺。
牛頓第二運動定律指出:
\[ F_{\text{net}}=ma \]
因此,所需的向內合力為
\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]
其中,\(\ F_c\ \) 是向心力,單位為牛頓;\(\ m\ \) 是物體的質量,單位為公斤。
更精確地表達相同概念,可以寫成
\[ \sum F_{\text{inward}}=\frac{mv^2}{r} \]
在 HSC 考題中,這種寫法通常更實用,因為它提醒你,可能有多個真實作用力共同構成向內的合力。
03向心力是一種作用功能,而不是一種新力
把「向心力」想成一種工作職責。
如果有人說「那個扶著門的人」,這並不能告訴你對方是你的朋友、老師,還是某個尷尬地被困在那裡、眼睜睜看著十個人進出卻連一句謝謝都沒聽到的人。這句話只告訴你對方正在做什麼。
「向心力」的概念也是如此。它的作用是:
產生一個朝向圓形路徑中心的合力。
實際上負責這項作用的力,取決於具體情境。
不過,這個類比只能到此為止。真實作用力是向量,因此必須以數學方式將它們的方向與分量相加。
| 情境 | 提供向內合力的真實作用力(一種或多種) |
|---|---|
| 汽車在平坦道路上轉彎 | 靜摩擦力 |
| 衛星沿圓形軌道運行 | 重力 |
| 球被繩子牽引,在水平面上繞圈擺動 | 張力,或張力的一個分量 |
| 雲霄飛車車廂位於環形軌道的最低點 | 正向力與重力共同形成向內合力 |
| 物體放在旋轉平台上 | 通常是靜摩擦力 |
這是解答圓周運動題目時最重要的判斷原則之一:
- 找出圓形路徑的中心。
- 判斷圖示瞬間的向內方向。
- 畫出所有真實作用力。
- 求出這些真實作用力在向內方向上的分量。
- 將它們的向內合力設為 \(\frac{mv^2}{r}\)。
如果你已經畫出真實作用力,就不要再另外畫一個標示為「向心力」的箭頭,否則就會把同一個物理效果計算兩次。
範例:汽車在平坦道路上轉彎
一輛質量為 \(\ 900\text{ kg}\ \) 的汽車,以 \(\ 14\text{ m s}^{-1}\ \) 的速率,沿半徑為 \(\ 35\text{ m}\ \) 的平坦圓形彎道行駛。計算維持汽車沿圓形路徑運動所需的水平力,並指出提供此力的作用力。
步驟 1:判斷方向及實際作用力。
所需的合力水平指向彎道的中心。在平坦道路上,能夠對輪胎施加側向力的作用力是靜摩擦力。
步驟 2:使用向心力公式。
\[ \begin{aligned} F_c&=\frac{mv^2}{r}\\ &=\frac{(900)(14^2)}{35}\\ &=5040\text{ N} \end{aligned} \]
步驟 3:解釋結果。
道路對汽車施加的靜摩擦力為
\[ 5.04\times10^3\text{ N} \]
方向朝向彎道的中心。
請注意,在這個情境中,「向心力」和「摩擦力」並不是兩個不同的力。摩擦力就是向心力。
04計算之前,公式已經告訴你什麼
公式
\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]
包含幾個實用的預測。
如果質量加倍,而 \(\ v\ \) 和 \(\ r\ \) 保持不變,所需的力也會加倍。
如果半徑加倍,而 \(\ m\ \) 和 \(\ v\ \) 保持不變,所需的力就會減半。
速率的影響則更顯著。如果速率加倍,
\[ F_c\propto v^2 \]
所需的力就會變成原來的四倍。
這也是為什麼以 100 km/h 通過彎道,並不只是比以 50 km/h 通過同一個彎道「要求高一倍」。在簡化的圓周運動模型中,所需的側向力會變成四倍。
05當有多個力沿徑向作用時
這正是許多向心力題目變得有趣的地方。
考慮一顆用繩子繫住、沿垂直圓周運動的球。當球經過圓周最低點時,圓心位於球的上方。
試著預測哪一個力較大:繩子的張力,還是所需的向心力?
實際上,張力必須較大。
為什麼?張力向上指向圓心,但重力向下,方向背離圓心。兩者的差值形成所需的向內合力。

將向內方向定為正方向,
\[ T-mg=\frac{mv^2}{r} \]
因此,
\[ T=\frac{mv^2}{r}+mg \]
所以,張力本身並不等於向心力。
範例:垂直圓周最低點的張力
一顆質量為 \(\ 0.50\text{ kg}\ \) 的球,以 \(\ 6.0\text{ m s}^{-1}\ \) 的速率,經過半徑為 \(\ 0.80\text{ m}\ \) 的垂直圓周最低點。計算繩子的張力。使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
步驟 1:選定向內方向。
在圓周最低點,向內方向是向上。
張力向上作用,而重力向下作用。
步驟 2:寫出徑向力方程式。
\[ T-mg=\frac{mv^2}{r} \]
步驟 3:代入數值。
\[ T-(0.50)(9.8) = \frac{(0.50)(6.0^2)}{0.80} \]
所需的向內合力為
\[ \frac{(0.50)(36)}{0.80}=22.5\text{ N} \]
而重力為
\[ mg=(0.50)(9.8)=4.9\text{ N} \]
因此,
\[ T=22.5+4.9=27.4\text{ N} \]
步驟 4:解釋結果。
張力為 \(\ 27.4\text{ N}\ \),但所需的向心力只有 \(\ 22.5\text{ N}\ \)。
額外的 \(\ 4.9\text{ N}\ \) 是用來抵銷球向下的重力,這樣才能產生大小為 \(\ 22.5\text{ N}\ \)、方向向上的合力。
06向心方向會隨著垂直圓周上的位置改變
不要死記一條公式,例如 \(\ T-mg=\frac{mv^2}{r}\ \),然後在所有情況下都使用它。
各個力的物理性質並沒有改變,但物體運動時,朝向圓心的方向會隨之改變。
對於一顆用繩子繫住的球:
| 位置 | 向內方向 | 徑向方程式 |
|---|---|---|
| 最低點 | 向上 | \(\ T-mg=\frac{mv^2}{r}\ \) |
| 最高點 | 向下 | \(\ T+mg=\frac{mv^2}{r}\ \) |
| 側面 | 水平方向 | 必須考慮張力及其他作用力的徑向分量 |
在最高點,重力有助於提供向心力。在最低點,重力則會抵抗向心力。
因此,先辨認「向內」的方向,再寫出方程式,比起試圖記住一系列不同的公式,更為可靠。
07最容易犯的錯誤
錯誤 1:另外加上一個向心力箭頭
假設一輛汽車因為摩擦力而轉彎。常見的自由體圖會先畫出指向內側的摩擦力,然後又加上一個標示為 \(\ F_c\ \) 的向內箭頭。
這樣就把同一個力計算了兩次。
如果摩擦力是唯一的水平作用力,正確的寫法是
\[ F_{\text{friction}}=\frac{mv^2}{r} \]
錯誤 2:以為速率不變就代表加速度為零
加速度是指速度的改變,而不只是速率的改變。
速度包含方向。物體以固定速率沿圓周運動時,方向會不斷改變,因此它會持續加速。
錯誤 3:假設 \(\ F_c\ \) 必定是某一個單獨的力
有時,一個力就能提供全部的向內合力;有時,則是多個力共同作用。
例如,在垂直圓周的最高點,如果重力和張力都指向圓心,
\[ mg+T=\frac{mv^2}{r} \]
錯誤 4:認為向心力消失時,物體會被向外拋出
如果繩子斷裂,物體會沿著斷裂瞬間的切線方向離開圓形路徑。
若物體要沿半徑方向向外運動,那麼在繩子斷裂前的瞬間,它的速度本身就必須指向半徑方向的外側。但實際上並非如此。
08題目與解答
題目 1
一輛質量為 \(\ 1500\text{ kg}\ \) 的汽車,以 \(\ 12\text{ m s}^{-1}\ \) 的速率,沿半徑為 \(\ 60\text{ m}\ \) 的平坦圓形彎道行駛。
計算所需的向心力,並指出提供此力的真實作用力。
解答 1
所需的向心力為 \(\ 3.60\times10^3\text{ N}\ \),方向朝向圓心,由輪胎與道路之間的靜摩擦力提供。
所需的向內合力為
\[ F_c=\frac{mv^2}{r} \]
代入數值,
\[ \begin{aligned} F_c&=\frac{(1500)(12^2)}{60}\\ &=\frac{(1500)(144)}{60}\\ &=3600\text{ N} \end{aligned} \]
因此,
\[ F_c=3.60\times10^3\text{ N} \]
在平坦道路上,重力和正向力都沒有水平分量。因此,靜摩擦力提供水平的向內作用力。
一個容易犯的錯誤是說摩擦力和向心力都指向內側。在這個情境中,它們並不是兩個獨立的力。靜摩擦力正是提供所需向心力的作用力。
題目 2
一顆質量為 \(\ 0.25\text{ kg}\ \) 的球用繩子繫住,以 \(\ 4.5\text{ m s}^{-1}\ \) 的速率,經過半徑為 \(\ 0.75\text{ m}\ \) 的垂直圓周最高點。
計算繩子的張力。如果繩子在該瞬間斷裂,指出球在斷裂後最初的運動方向。使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
解答 2
張力為 \(\ 4.30\text{ N}\ \)。繩子斷裂後,球會立即沿著圓形路徑的切線方向水平運動。
在圓周最高點,向內方向是向下。張力和重力都指向圓心。
因此,
\[ T+mg=\frac{mv^2}{r} \]
所需的向心力為
\[ \begin{aligned} \frac{mv^2}{r} &=\frac{(0.25)(4.5^2)}{0.75}\\ &=6.75\text{ N} \end{aligned} \]
球的重力為
\[ mg=(0.25)(9.8)=2.45\text{ N} \]
因此,
\[ T+2.45=6.75 \]
所以,
\[ T=4.30\text{ N} \]
學生可能會直接設 \(\ T=\frac{mv^2}{r}\ \),得出 \(\ 6.75\text{ N}\ \)。這樣就忽略了重力的貢獻。在最高點,重力已經提供所需向內合力中的 \(\ 2.45\text{ N}\ \)。
如果繩子斷裂,張力就會消失。球的速度方向不會突然轉向外側。球在該瞬間的速度沿著圓形路徑的切線方向,而在最高點,這個方向是水平的。之後,重力會使球的運動軌跡逐漸向下彎曲。
題目 3
一輛汽車在半徑為 \(\ 50\text{ m}\ \) 的平坦圓形道路上行駛。輪胎與道路之間的靜摩擦係數為 \(\ 0.55\ \)。
計算汽車在不打滑的情況下所能達到的最大速率。解釋為什麼汽車的質量不會影響這個最大速率。使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
解答 3
最大速率約為 \(\ 16.4\text{ m s}^{-1}\ \)。質量不會影響這個最大速率,因為可提供的最大摩擦力與所需的向心力都與質量成正比。
在臨界速率下,靜摩擦力已達到最大值:
\[ F_{\text{friction,max}}=\mu_sN \]
在平坦道路上,
\[ N=mg \]
因此,
\[ F_{\text{friction,max}}=\mu_smg \]
在最大速率下,這個摩擦力提供所需的向心力:
\[ \mu_smg=\frac{mv^2}{r} \]
約去 \(\ m\ \):
\[ \mu_sg=\frac{v^2}{r} \]
因此,
\[ v=\sqrt{\mu_sgr} \]
代入數值,
\[ \begin{aligned} v&=\sqrt{(0.55)(9.8)(50)}\\ &=\sqrt{269.5}\\ &\approx16.4\text{ m s}^{-1} \end{aligned} \]
質量會約去,是因為較重的汽車需要較大的向內作用力,但它的正向力也會按相同比例增加,因此在這個模型中,可提供的最大靜摩擦力也會按相同比例增加。
一個常見的陷阱是,在每次轉彎時都直接寫出 \(\ F_{\text{friction}}=\mu_sN\ \)。只有當靜摩擦力達到臨界值時,它才會等於 \(\ \mu_sN\ \)。在較低的速率下,所需的摩擦力會比較小。
題目 4
一個質量為 \(\ 0.20\text{ kg}\ \) 的物體連接在一條長度為 \(\ 1.00\text{ m}\ \) 的繩子上,並作圓錐擺運動。它每隔 \(\ 1.50\text{ s}\ \) 完成一次水平圓周運動。
繩子與鉛直方向的夾角為 \(\ \theta\ \)。
計算:
a. 角度 \(\ \theta\ \);
b. 圓形路徑的半徑;
c. 物體的速率;
d. 繩子的張力。
接著,將另一個質量為原來兩倍的擺球連接到長度相同的繩子上,並使它以相同的週期旋轉。判斷新擺球的角度會變大、變小,還是保持不變。
使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
解答 4
角度約為 \(\ 56.1^\circ\ \),圓形路徑的半徑為 \(\ 0.830\text{ m}\ \),速率為 \(\ 3.48\text{ m s}^{-1}\ \),張力為 \(\ 3.51\text{ N}\ \)。如果週期和繩長保持不變,將質量加倍並不會改變角度。
關鍵在於理解:整個張力並不是向心力。
張力的鉛直分量平衡重力:
\[ T\cos\theta=mg \]
張力的水平分量提供向心力:
\[ T\sin\theta=\frac{mv^2}{r} \]
角速度為
\[ \omega=\frac{2\pi}{P} \]
其中 \(\ P=1.50\text{ s}\ \)。因此,
\[ \begin{aligned} \omega&=\frac{2\pi}{1.50}\\ &\approx4.19\text{ rad s}^{-1} \end{aligned} \]
由於
\[ v=\omega r \]
水平作用力方程式可以寫成
\[ T\sin\theta=m\omega^2r \]
水平圓形路徑的半徑為
\[ r=L\sin\theta \]
其中 \(\ L=1.00\text{ m}\ \)。因此,
\[ T\sin\theta = m\omega^2L\sin\theta \]
對於圖示的非零角度,\(\ \sin\theta\ \) 可以約去:
\[ T=m\omega^2L \]
使用鉛直方向的方程式,
\[ m\omega^2L\cos\theta=mg \]
約去 \(\ m\ \):
\[ \cos\theta=\frac{g}{\omega^2L} \]
代入數值,
\[ \begin{aligned} \cos\theta &=\frac{9.8}{(4.19)^2(1.00)}\\ &\approx0.558 \end{aligned} \]
因此,
\[ \theta\approx56.1^\circ \]
半徑為
\[ \begin{aligned} r&=L\sin\theta\\ &=(1.00)\sin56.1^\circ\\ &\approx0.830\text{ m} \end{aligned} \]
速率為
\[ \begin{aligned} v&=\omega r\\ &=(4.19)(0.830)\\ &\approx3.48\text{ m s}^{-1} \end{aligned} \]
可以利用
\[ T\cos\theta=mg \]
求出張力,因此
\[ \begin{aligned} T&=\frac{(0.20)(9.8)}{\cos56.1^\circ}\\ &\approx3.51\text{ N} \end{aligned} \]
對於第二個擺球,
\[ \cos\theta=\frac{g}{\omega^2L} \]
這個方程式不包含質量。由於週期不變,\(\ \omega\ \) 也不變,而 \(\ L\ \) 同樣保持不變。因此,第二個擺球的角度仍然約為 \(\ 56.1^\circ\ \)。
一個容易讓人誤入歧途的做法,是把 \(\ T=\frac{mv^2}{r}\ \) 當成完整的張力方程式。這會忽略張力還必須具有鉛直分量來平衡重力。只有張力的水平分量才是向心力。
題目 5
一輛雲霄飛車車廂沿著無摩擦的垂直圓形迴圈內側運動,迴圈半徑為 \(\ 12.0\text{ m}\ \)。
在迴圈最低點,軌道對車廂施加的正向力為 \(\ 5mg\ \),其中 \(\ m\ \) 是車廂的質量。
令 \(\ \theta\ \) 為從迴圈最低點開始沿圓周量度的角度,因此最低點的 \(\ \theta=0^\circ\ \),最高點的 \(\ \theta=180^\circ\ \)。
求出:
a. 車廂在最低點的速率;
b. 車廂是否能在整個過程中保持與軌道接觸,直到抵達最高點;
c. 如果車廂失去接觸,求出發生此情況時的 \(\ \theta\ \) 值,以及該瞬間的速率;
d. 為什麼在車廂失去接觸後,繼續進行圓周運動計算,可能得到數學上可行、但物理上不可能的結果。
使用 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \)。
解答 5
車廂在最低點的速率約為 \(\ 21.7\text{ m s}^{-1}\ \)。它會在抵達最高點之前失去接觸,脫離軌道的位置約為從最低點量起的 \(\ 132^\circ\ \),脫離瞬間的速率約為 \(\ 8.85\text{ m s}^{-1}\ \)。在此之後,如果計算要求正向力為負值,結果在物理上就不可能成立,因為軌道無法拉著車廂朝向自己。
在最低點,向內方向是向上。正向力向上,而重力向下,因此
\[ N-mg=\frac{mv_b^2}{r} \]
已知 \(\ N=5mg\ \),
\[ 5mg-mg=\frac{mv_b^2}{r} \]
因此,
\[ 4mg=\frac{mv_b^2}{r} \]
約去 \(\ m\ \):
\[ v_b^2=4gr \]
代入 \(\ g=9.8\text{ m s}^{-2}\ \) 及 \(\ r=12.0\text{ m}\ \),
\[ \begin{aligned} v_b&=\sqrt{4(9.8)(12.0)}\\ &\approx21.7\text{ m s}^{-1} \end{aligned} \]
現在考慮車廂位於角度 \(\ \theta\ \) 的位置。
車廂相對於最低點的高度為
\[ h=r(1-\cos\theta) \]
由於軌道沒有摩擦力,機械能守恆:
\[ \frac12mv_b^2 = \frac12mv^2+mgh \]
代入 \(\ v_b^2=4gr\ \) 及 \(\ h=r(1-\cos\theta)\ \),
\[ \frac12m(4gr) = \frac12mv^2 + mgr(1-\cos\theta) \]
化簡後,
\[ v^2=2gr(1+\cos\theta) \]
接著,沿向內的徑向方向套用牛頓第二運動定律。
在角度 \(\ \theta\ \) 的位置,徑向方程式為
\[ N-mg\cos\theta=\frac{mv^2}{r} \]
當正向力恰好降至零時,車廂就會失去接觸。接觸力可以推動車廂,但不能變成負值,進而將車廂拉回軌道。
令 \(\ N=0\ \):
\[ -mg\cos\theta=\frac{mv^2}{r} \]
因此,
\[ v^2=-gr\cos\theta \]
在脫離軌道的瞬間,這個結果也必須符合能量守恆所得到的方程式:
\[ v^2=2gr(1+\cos\theta) \]
因此,
\[ 2gr(1+\cos\theta)=-gr\cos\theta \]
約去 \(\ gr\ \):
\[ 2(1+\cos\theta)=-\cos\theta \]
所以,
\[ 2+3\cos\theta=0 \]
因此,
\[ \cos\theta=-\frac23 \]
所以,
\[ \theta=\cos^{-1}\left(-\frac23\right)\approx131.8^\circ \]
因此,車廂會在從最低點量起約
\[ 132^\circ \]
的位置失去接觸,並且在抵達最高點之前就已經脫離軌道。
脫離瞬間的速率滿足
\[ v^2=-gr\cos\theta \]
因此,
\[ \begin{aligned} v^2 &=-(9.8)(12.0)\left(-\frac23\right)\\ &=78.4\text{ m}^2\text{s}^{-2} \end{aligned} \]
所以,
\[ v\approx8.85\text{ m s}^{-1} \]
其中微妙的關鍵,在於接下來會發生什麼事。
如果你不加思索地繼續在方程式中強制假設車廂沿著圓形路徑運動,計算出的正向力最終會變成負值。這並不是代數運算出錯,而是模型不再適用。
正向力是一種接觸力。軌道可以推動車廂,但當車廂與軌道分離後,軌道就無法再向內拉住車廂。因此,\(\ N=0\ \) 是一個物理上的界限。
脫離軌道後,車廂不再沿著圓形軌道運動。它在分離瞬間的速度沿著迴圈的切線方向,而重力則決定它接下來的拋體運動軌跡。
這就是向心力題目背後更深層的觀念:\(\ \frac{mv^2}{r}\ \) 告訴你,如果物體正在沿著該圓形路徑運動,它需要多大的向內合力。你仍然必須檢查,實際存在的作用力是否真的能提供這個所需的向內合力。
09接下來,這個觀念能幫你理解什麼
當你習慣用
\[ \sum F_{\text{inward}}=\frac{mv^2}{r} \]
取代含糊的「向心力」一詞後,較困難的圓周運動題目就會變得更有系統。
下一步是將這個徑向力方程式與其他物理概念結合:垂直圓周運動中的能量守恆、彎道上的摩擦力限制、軌道運動中的重力,以及接觸或繩子的約束條件即將失效時的 \(\ N=0\ \) 或 \(\ T=0\ \) 條件。通常,計算並不是最困難的部分。真正重要的技巧,是判斷哪些實際作用力能夠指向圓心,以及它們在物理上是否足以提供所需的向內合力。