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陀螺不倒与进动
[楼主] 作者:王飞cn  发表时间:2008/11/27 11:08
点击:4230次

我对陀螺没研究,说错别骂,呵!

云先生不断提出陀螺问题,也引起我的兴趣。从大家的分析看,相当人把进动与柯氏力联系起来,当然,柯氏力是存在的,但绝不是原因,柯氏力的作用在一天内不能超过一圈变化。傅科摆就是证明。云先生已经明白到这点,但似乎还是无法找到答案?也许是秘而不宣吧!

在北京自然博物馆内有个东东,就是你站在一个可以旋转的圆台上,手里拿着个高速旋转的陀螺,当你改变陀螺轴的指向是,自己站住的圆台也转了起来。该实验告诉我们角动量守恒,但是却以陀螺进动的方式表现出来。因此,我们可以说陀螺进动是因为转轴受外力矩改变而产生的。那么陀螺为何不倒?这就与进动有关了。当陀螺重心不稳,发生倒侧时,即发生与倒向面垂直的进动,迫于地面的阻力,进动又使转轴向进动方向倒侧,这时再次发生的进动方向与陀螺倒下方向相反,最终成为维持陀螺不倒的力来源。

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[楼主]  [2楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 11:23 

进动方向图

 [3楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 12:00 

“该实验告诉我们角动量守恒,但是却以陀螺进动的方式表现出来。因此,我们可以说陀螺进动是因为转轴受外力矩改变而产生的”

呵呵,终于引起王飞的注意,好啊,已经有多人试图回答这个问题,目前还没有满意答案

受外力矩作用而进动的陀螺,角动量不守恒
角动量守恒是指外力矩为0的情形dL=0,即角动量L不变(大小及方向)
存在力矩作用时,方程为dL=Mdt,角动量L要变化(规则进动时,只有方向变化,且指向M方向)
我的问题正是“方向为什么如此变化”



同意你的“陀螺进动是因为转轴受外力矩改变而产生”,关键是力矩怎么产生进动,说清了这个,自然就知道为什么不倒了

很明显,外力矩已经让陀螺水平进动了,当然就是没“倒”,因此讨论进动的陀螺为什么不倒,是画蛇添足

比如说:某物体正在向东运动,只要解答了他为什么向东运动,自然就知道他为什么不向南走了
因此不必分析正在向东走的物体为什么不向南,只要说清楚他为什么向东运动,所有问题立即明朗


再有,“柯氏力的作用在一天内不能超过一圈变化”,此科氏力非彼科氏力,请注意
 [4楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 12:54 

如果一定要从“进动的陀螺为什么不倒”说起,也可以,那就先放下他为什么进动,先说不倒

陀螺在进动却没有倒下,存在重力矩不容置疑,没有倒下来,自然是存在某种相反的力矩平衡了重力矩,否则就倒了,这不用说谁都知道,关键是为什么会存在这个平衡力矩,科里奥利先生给出了他的大小M=对所有质点的科氏力积分

但是某一点的科氏力是怎么来的?

首先,科氏力是虚拟力,在惯性系中不存在(也就是我们就这样看上图,是没有科氏力的,只有去随着陀螺进动,才能引入科氏力)

即使考虑进动旋转系,这个虚拟力的来源仍然不明,人们知道“有”,但是不知道“为什么有”

因为科氏加速度也是叉积“叉”出来的,要解答他为什么存在,必须先解答为什么有叉积规则,这就是我3楼问题的翻版,不过是画蛇添足地又深入了一层而已

 

在北极炮弹的讨论中,基于地球旋转系,我们可以勉强地说:科氏力的出现是因为炮弹要保持自己在惯性系中的直线运动。这可以绕过叉积规则

但是,在上图中,科氏力的出现是转子上的质点要保持什么?该质点本身在惯性系中也在做曲线运动

所以,绕不过叉积规则,因此引入科氏力解释陀螺,必须先解释叉积规则---也就是为什么会有“右手螺旋法则”

这会更加混乱,同时解答了为什么会存在“右手螺旋法则”,也就直接解答了“陀螺为什么如此运动”,仍然根本用不着科氏力

 

以上理由足以说明,引入科氏力解答陀螺运动,纯属画蛇添足没事找事,越说越乱

 

还是以你的“陀螺进动是因为转轴受外力矩改变而产生”为主线展开分析吧,力矩为因,运动为果

从实实在在的外力矩直接推理陀螺运动,这才是正途

[楼主]  [5楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 13:15 

我说了,在北京自然博物馆内有个东东,就是你站在一个可以旋转的圆台上,手里拿着个高速旋转的陀螺,当你改变陀螺轴的指向是,自己站住的圆台也转了起来。这个转动的方向就是陀螺原来的转向,因此不必理会什么“右手螺旋法则”。由于地球对陀螺的倒侧作用,使陀螺原来的角动量方向改变,因此,在没有地球转动约束情况下,陀螺必须保持该转动方向,而形成进动,这点云先生因可理解吧?同样当陀螺进动后,又再次改变了陀螺的转动方向,这次发生的进动力矩提供陀螺不到的反力矩平衡了重力矩。
 [6楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 13:25 

你所说的是“角动量演示仪”,各大学实验室都有。“自己站住的圆台也转了起来”,这是陀螺力矩效应

以上效应以及4楼的图,还有你现在就拿起图钉令其在桌面上旋转并进动,这些现象都与地球旋转没关系



“陀螺必须保持该转动方向,而形成进动,这点云先生因可理解吧?”

正是这里不能理解,陀螺必须保持什么方向,进而形成进动?
[楼主]  [7楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 13:34 

【“陀螺必须保持该转动方向,而形成进动,这点云先生因可理解吧?”

正是这里不能理解,陀螺必须保持什么方向,进而形成进动?】
===============================================================
角动量是矢量,如果其轴方向转90度,则原来的角动量不存在,因此,陀螺必须保持这一角动量,既然不能在转轴上保持,就在进动上实现。
 [8楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 14:29 

角动量是矢量,如果其轴方向转90度,则原来的角动量不存在,因此,陀螺必须保持这一角动量,既然不能在转轴上保持,就在进动上实现。
=================================

"如果其轴方向转90度"是什么意思?
角动量必须指明对那根轴,近似理论中,由于自转远大于进动,所以一般认为角动量矢量与刚体自转轴重合

那么,"自转轴转90度"是什么意思?陀螺进动了90度吗?

 

再有,为了"陀螺必须保持这一角动量"有许多方向可去,只要是匀速即可,角动量即可保持。比如屈服力矩以3-9为轴匀速翻转,为什么一定要选水平(绕12-6轴)方向?

为避免歧义,以下图为例(道理相同)

[楼主]  [9楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 14:41 

【"如果其轴方向转90度"是什么意思?】
=====================================================
简单的说就是站着的陀螺水平躺下,这样原来(绕12-6轴)方向的角动量矢量消失,必将令陀螺躺在地上转动(还是12-6轴线),这就是进动。
 [10楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 15:34 

 简单的说就是站着的陀螺水平躺下,这样原来(绕12-6轴)方向的角动量矢量消失,必将令陀螺躺在地上转动(还是12-6轴线),这就是进动。

=============================

请恕我愚昧,还是不甚清楚,请结合事实论述

从我烧断那根线说起

(轴端吊的是一个螺母)

[楼主]  [11楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 15:51 

【从我烧断那根线说起】
===============================
如果您的陀螺没有因为断线而影响倒陀螺轴的方向改变的话,就不会有进动现象。之所以有进动,就是电线后,轴向改变。那么,你用手令其停止,为何放开还是有进动?这说明你并未把陀螺的悬挂力通过重心,当然用手是很难做到的。


【请恕我愚昧,还是不甚清楚,请结合事实论述】
我说了,在北京自然博物馆内有个东东,就是你站在一个可以旋转的圆台上,手里拿着个高速旋转的陀螺,当你改变陀螺轴的指向是,自己站住的圆台也转了起来。这个转动的方向就是陀螺原来的转向。如果没有你拿着,那么陀螺就会整体以(绕12-6轴)方向转动。说到底就是角动量守恒的问题,但不是惯性运动(假定匀速圆周也是惯性运动),因为在陀螺(倾斜进动)转动过程中,地球给陀螺的力矩不断变换方向。


 [12楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 16:04 

10楼的陀螺就是这个,不过是在一端挂了个螺母而已

“你用手令其停止,为何放开还是有进动”

我只是托起了螺母,相当于外力矩突然消失,陀螺停止进动是因为力矩没有了,我并没碰到陀螺

放开后外力矩再次出现,陀螺当然又开始进动

关键是这里“之所以有进动,就是电(断)线后,轴向改变”,轴向向哪里改变了?是向下垂吗?

 [13楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 16:13 

“说到底就是角动量守恒的问题,但不是惯性运动(假定匀速圆周也是惯性运动),因为在陀螺(倾斜进动)转动过程中,地球给陀螺的力矩不断变换方向。”

同意“不是惯性运动(假定匀速圆周也是惯性运动)”,其他不敢苟同

“在陀螺(倾斜进动)转动过程中,地球给陀螺的力矩不断变换方向”
这句话很难理解~
重力矩矢量的确在不断水平旋转(改变方向),但是这是由于陀螺进动了,倾斜的转子到了新的位置(在12楼图中,螺母在作圆周运动,所受重力当然会紧随着他)

这和“陀螺为什么进动”有什么关系?

 

建议王飞先生亲手实验,非常简单,到商场买一个陀螺玩具即可,或者自制一个

[楼主]  [14楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 16:47 

【“在陀螺(倾斜进动)转动过程中,地球给陀螺的力矩不断变换方向”
这句话很难理解~ 】
其实就是【重力矩矢量的确在不断水平旋转(改变方向),但是这是由于陀螺进动了,倾斜的转子到了新的位置(在12楼图中,螺母在作圆周运动,所受重力当然会紧随着他) 】,这句说明外界对陀螺的作用在不断变化,因此不是惯性运动,当然与“陀螺为什么进动”没有什么关系。

【建议王飞先生亲手实验,非常简单,到商场买一个陀螺玩具即可,或者自制一个】
可以考虑,但你必须给出我无法回答的疑问。




 [15楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 16:51 

关键是这里“之所以有进动,就是电(断)线后,轴向改变”,轴向向哪里改变了?是向下垂吗?
==========================

你现在就没有回答
[楼主]  [16楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 17:45 

【关键是这里“之所以有进动,就是电(断)线后,轴向改变”,轴向向哪里改变了?是向下垂吗?】

==========================

你确定轴向没有改变?
 [17楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 18:34 

“你确定轴向没有改变?”
=============================
看看,信心不足了不是

你应该斩钉截铁地回答

因为任何理由都不能因结果而改变,因果关系不能错位



为了少走弯路,同时考虑到你刚刚准备思考陀螺,我回答你的问题“确定”。

在理论上,存在“强迫规则进动”,即:在力矩作用下,陀螺以不变的倾角绕进动轴以匀角速度进动

这时,自转轴除了进动外,没有其他改变(倾角即章动角恒定)(见4楼)
这就是老杨坚决不承认的、梁彬彬定性为“惯性运动”的---强迫规则进动

是否还坚持“之所以有进动,就是电(断)线后,轴向改变”?
[楼主]  [18楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 19:08 

【是否还坚持“之所以有进动,就是电(断)线后,轴向改变”?】
=================================================
当然坚持!你以为我信心不足?错!这是我讨论的方法,一旦你准确暴露问题,就无拖泥解决。
现在才明白你以为无轴向改变也有强迫进动,这就是你永远也无法理解的原因,一个不存在的东西,就是天才也无可奈何。简单来说,传统机械陀螺是有定向作用的,广泛运用于航海,航天。,如果有莫名进动,那还怎么运用?
 [19楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 19:24 

传统机械陀螺是有定向作用的,广泛运用于航海,航天。,如果有莫名进动,那还怎么运用
===============================

你扯哪儿去了?

承认4楼的图吗?

或者说,承认这个图吗?

[楼主]  [20楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 19:56 

【你扯哪儿去了?

承认4楼的图吗?】
============================================================================================
是我扯,说反了吧?

我当然承认4楼的图,但这与我们刚才的论点无关,你扯远了。【之所以有进动,就是电(断)线后,轴向改变】,你4楼的图明显轴向不断改变,同时,这种陀螺无法让重心正好通过支点,因此轴向改变与进动成为必然。倒是你12楼的图,有可能不进动,但你把他与4楼混淆了。

注意:我们现在讨论的是,轴向不改变,是否还有进动。请举例,我已举反例 ,不要离题。


 [21楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 20:11 

倒是你12楼的图,有可能不进动
==============================
~~~老兄,你认为什么是进动?
那不是进动是什么?
 [22楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 20:15 

你4楼的图明显轴向不断改变,同时,这种陀螺无法让重心正好通过支点,因此轴向改变与进动成为必然
==========================

你的“轴向改变”就是进动?
要知道他的倾角可没有变,从你看到他到现在以及未来,他都这样运动

果真如此,就要问问他为什么会“轴向改变”?
 [23楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 20:18 

注意:我们现在讨论的是,轴向不改变,是否还有进动。请举例,我已举反例 ,不要离题
================================

如果你的“轴向改变”就是进动,那么这一问是否还有意义?
[楼主]  [24楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 20:28 

【注意:我们现在讨论的是,轴向不改变,是否还有进动。请举例,我已举反例 ,不要离题
================================

如果你的“轴向改变”就是进动,那么这一问是否还有意义?】
======================================================================
我说了“轴向改变”就是进动吗?我说的是“轴向改变”会发生进动,进动方向与“轴向改变”垂直。现在我们讨论的是若无“轴向改变”是否还会发生进动,我认为无,你认为有,那么请举例,至少要有根据吧?
你举的楼4图例,明显有要倒力矩存在,怎么可以作为你的例证?另外,你12楼的图,(断)线后,轴向没有因此改变?你应该看看航海陀螺,他们可没有“轴向改变”,因此没有进动,你如何解释?
 [25楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 20:58 

我说了“轴向改变”就是进动吗?我说的是“轴向改变”会发生进动,进动方向与“轴向改变”垂直
==========================================

既然如此,19楼和4楼都没有轴向改变

19楼是清华教材《理论力学》截图,白纸黑字写着“当对称轴与固定轴之间的夹角为常数时,这种运动称为规则进动”

有“轴向改变”吗?
 [26楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 21:05 

“现在我们讨论的是若无“轴向改变”是否还会发生进动,我认为无,你认为有,那么请举例,至少要有根据吧?”
=======================================

现在已经确定,你的“轴向改变”就是章动,让我举例,信手拈来,所有的理论力学教材上都有


呵呵,你认为“无”,老杨3年前就这样认为了,并且坚定地认为刘延柱的《陀螺力学》很荒唐,因为刘教授也说“有”
他可没想到,刘延柱以及所有编写《陀螺力学》、《理论力学》的学者,基本都是照抄洋书,所以,是洋人开荒唐之先河,很可能就是拉格朗日和欧拉

你们两个真是好朋友~~
[楼主]  [27楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 22:28 

【既然如此,19楼和4楼都没有轴向改变

19楼是清华教材《理论力学》截图,白纸黑字写着“当对称轴与固定轴之间的夹角为常数时,这种运动称为规则进动”

有“轴向改变”吗?】
=======================================================================================
19楼和4楼的这种陀螺无法让重心正好通过支点,如何克服地球力矩而没有轴向改变(侧倒)?白纸黑字有用吗?
当然,完成侧倒后形成进动,无损耗的话是可以一直这样下去,但此时的已没有进动,虽然转轴向在不断改变,这只是惯性,其轴向改变形成进动力矩与地球引力力矩平衡,因为不发生进动,这是特例(无摩擦),实际一定伴随着减速,继而加剧侧倒。但无论如何轴向不变是没有进动力矩的,更别说进动了,这从我说的机械陀螺仪很容易看出,而你总避而不答。
 [28楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 22:39 

当然,完成侧倒后形成进动,无损耗的话是可以一直这样下去,但此时的已没有进动,
===================================

我一直不知道你所说的“进动”是什么
看19楼的图,“没有进动了”?

Ω是什么?
[楼主]  [29楼]  作者:王飞cn  发表时间: 2008/11/27 23:18 

【我一直不知道你所说的“进动”是什么
看19楼的图,“没有进动了”?
Ω是什么?】
=============================================================================
我认为进动是轴向改变后在改变垂直方向发生的运动,必须符合“右手螺旋法则”,因此Ω不是进动,而是惯性运动。前面我一再说明的:在北京自然博物馆内有个东东,就是你站在一个可以旋转的圆台上,手里拿着个高速旋转的陀螺,当你改变陀螺轴的指向是,自己站住的圆台也转(Ω)了起来。
 [30楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2008/11/27 23:34 

我认为进动是轴向改变后在改变垂直方向发生的运动,必须符合"右手螺旋法则",因此Ω不是进动,而是惯性运动

======================

但是几百年来,所有的教科书上可是明白写着Ω是“进动角速度”,我们还是以教科书为准吧,否则就要彻底推倒重来了

陆元九院士所著《惯性导航与陀螺原理》截图 

 

陆元九院士明确写道“(图2a)在重力对支点的力矩作用下便产生进动(图2b)”

这可是没有你所说的“轴向改变”,有图为证

现在的问题是:力矩的作用怎么就产生了进动,细节过程是什么?

 

陆元九院士留学海外多年,是多次卫星发射的顾问,科学院院士

他的知识也应该不是自创,如果他说错了,那么经典力学必须立即重建

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