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在规则进动时,竖直轴上的角动量分量Jv=Ω*I+Js*cosA。补充:推导中假定了陀螺关于自转轴是旋转对称体。
其中Ω为进动角速度,I为绕竖直轴的转动惯量,Js为陀螺自转角动量,A为自转轴与竖直轴的夹角。 陀螺在进动前由两端支点支撑着,放开一个支点后,陀螺不能在A不变的情况下进动,因为重力矩在竖直轴上的分量为零,所以竖直轴上的角动量分量必须守恒。于是,放开一个支点后陀螺一边进动一边下沉(A加大),进动带来竖直轴角动量分量增加,而A加大导致自转角动量在竖直轴上的分量减少,结果是竖直轴角动量保持不变。虽然竖直轴角动量分量守恒,但这个分量的两个构成部分并不分别守恒,而是可以相互转换,于是产生复杂的章动,特定情况下可以达到稳定进动状态。 于是云野鹤的双盘陀螺问题得到圆满解决: (1)已经达到稳定进动。此时如果自转角速度ω相同且自转轴倾角A相同,则进动角速度Ω也必相同(虽然竖直轴上的角动量分量不同,但进动恰恰只是水平分量在重力矩作用下改变)。教材上的公式是对这一稳定状态的正确描述。即使双盘陀螺中的双盘相距无穷远,仍可用该公式描述(这就是我一直坚持的)。这时竖直轴上无穷大角动量分量是由初始条件给出的,而不是在运动中形成的。 (2)从非进动状态出发产生进动。如果进动前自转角速度ω相同且自转轴倾角A相同,则不同陀螺相对于竖直轴的转动惯量不同(两盘分得越开惯量越大),达到稳定进动时的状态将不同(稳定时的倾角、自转角速度、进动角速度都可以不同,但仍符合稳定进动公式)。如果进动前两盘相距无穷远,则有限的自转角动量和有限的重力矩不能导致进动,云野鹤的这个直觉是对的。 如果Js很大而I很小,则A的极微小增加就可以抵消进动角动量,保持竖直轴角动量分量守恒。这种情况下,就能用稳定态公式从初始状态直接(良好近似)预言进动角速度。 以上结果都是由现有转动理论导出的,现有转动理论并没有错!云野鹤的实验可用于训练本科生加强对转动的理解。在这个计算中本人也修正了自己对于转动的一些错误直觉,受益匪浅,呵呵~~ |