答:这个问题的标准答案,就是用角动量守恒来解释,前面李永乐老师,已经给出了完整且专业的回答。
在这,我换一个方式给大家解释其中原理。
角动量这个概念,比较抽象,没有能量守恒和动量守恒那样直观,导致部分人不太喜欢角动量这个概念,包括我自己也是的。
那么陀螺不倒,可以不用角动量,只用牛顿力学的基本概念来解释吗?
答案是肯定的,我们就来分析分析,对于高速旋转的陀螺。
一、我们先来分析不倒的原因
取A、B两质点分析,它们绕着陀螺的本轴旋转,设该旋转角速度为w1,v1=w1*r1,称为自旋;还绕着垂直的虚轴旋转,设该旋转角速度为w2,v2=w2*r2,称作叫做进动。
所以A、B两点的运动,是两者的合成,我们分开分析:
1、对于A点
合成速度va=v1+V2,需要注意的是,计算本轴提供的向心力,使用的速度是va,而不是v1;
2、对于B点
合成速度vb=v1-V2,计算本轴提供的向心力,使用的速度是vb,而不是v2;
因为旋转半径都是r,所以很容易得出,本轴为自旋提供的向心力有:Fa>Fb;
根据作用力与反作用力的关系,那么A、B两质点,对本轴的反作用力就是:Fa’>Fb’;
正是这个差异,使得陀螺整体受到一个回到站立方向的力;很容易发现,自旋速度越大,这个差异越大,那么陀螺越不容易倒。
二、补充进动
上面直接给出进动,在这里,我们可以用同样的方式,去分析进动的原理。
当陀螺完全垂直时,受到重力作用有倾倒的倾向,一旦陀螺发生倾倒,那么对于C、D两质点的速度,也可以用上面的技巧分析。
结果是C、D两点离心力的差异,使得陀螺受到一个向D方向的力,正是这个力,使得陀螺产生进动。
于是,我们就可以总结啦!
高速旋转的陀螺:
重力使得陀螺倾倒
一但倾倒,就让陀螺有了进动的倾向
一旦发生进动,进动使自旋对本轴的离心力产生差异
然后该差异,又使得陀螺倾向于站立
这就是陀螺不到的原因,该解释未用到角动量的概念,大家是否更容易理解呢?
因为这个现象是旋转物体的通有属性,于是物理学上发明了一个“角动量”,用来描述高速旋转物体保持平衡的能力。
好啦!我的答案就到这里,喜欢我们答案的读者朋友,记得点击关注我们!