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什么情况下才可以用J=Iω?转动惯量I是怎么定义的? J=∫r×dp才是普适的,由此得J=∫r×dp=∫r×vdm=∫r×ω×rdm,当且仅当所有的质元dm以相同的ω运动时,才有I=(∫r×ω×rdm)/|ω|,也就是说I=J/ω以及J=Iω的使用条件是“所有质元以相同的ω运动”。在陀螺进动的情形中并不满足这个条件,所以不能用J=Iω公式计算角动量。陀螺在开始进动前可以用这个公式计算出自转轴上的角动量,开始进动后就不能用这个公式了,当然如果进动角速度与自转角速度相比很小很小,还是可以近似用此公式计算自转角动量,因此教材上的进动公式本质上是一个近似公式(不能包含章动),只有用通用公式求解(求解过程非常复杂)才能得到严格解并在严格解中包含章动(满足dJ=Mdt的解并非只有规则进动一种情形)。
无论如何,水平陀螺进动时,竖直轴上角动量为零,这是由于竖直轴初始角动量为零,而角动量的变化只能来源于重力矩,它在竖直轴上分量为零,所以竖直轴上的角动量分量始终为零(除非你反对基本定律dJ=Mdt),故与竖直轴的转动惯量无关,这是你转不过弯的地方。而且,转动惯量是针对特定运动形式定义的,不要将其绝对化,故你的α=Q/I并非基本公式,转动的基本公式是J=∫r×dp,M=∫r×dF,dJ=Mdt | |