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你认识陀螺吗?
[楼主] 作者:云野鹤  发表时间:2006/06/02 13:40
点击:595次

[img]http://photo.xilu.com/pic.aspx?id=200605164717781[/img] 每个人都接触过陀螺,都知道转起来的陀螺不会倒,但是有谁能说清楚它为什么不倒?
      陀螺具有稳定性(不倒)、进动性(公转)、章动性(点头),并称为陀螺三大特性。只要仔细观察,即使是玩具陀螺,上述现象都一目了然,并且很明显陀螺转得越快,其进动越慢。这些现象普遍存在于我们的生活中,存在于宇宙空间以及微观粒子世界,可以说,是陀螺构成了宇宙。
      针对陀螺三大特性的研究,早在十九世纪末已经结束,形成了经典的、完整的陀螺理论,使得陀螺在航海、航天以及其他尖端领域有了广泛的应用。
      经典理论由现象出发,利用动量矩定理、角动量定理等基本理论,通过欧拉动力学方程以及赖柴尔定理等对陀螺现象加以描述,并通过一系列复杂变换,针对已经稳定进动的陀螺,导出了外力矩、进动角速度、自转角速度、转动惯量的关系式
 
这就是根据已知进动角速度、自转角速度等条件导出的作用于陀螺的外力矩的完整表达式,注意方括号中的第二项与陀螺的赤道惯量(垂直于自转轴)有关,并且在自转角速度ω1远大与进动角速度ω2时,此项的值将极其微小,对陀螺运动几乎没有影响,因此在初级理论中将其忽略,从而得到如下近似关系式
Ω=MgL/Iω
Ω……进动角速度;MgL……外力矩;I……陀螺自转轴转动惯量(极惯量);ω……自转角速度
 
针对下面两个陀螺

 

经典理论认为,只要其自转角速度远大于进动角速度,其进动速度几乎没有区别。

事实果真如此吗?

请看以下试验(试验很粗糙,但足以说明问题)

http://upload.topchinesenews.com/play.aspx?id=13086.wmv>

尽管我们不知道“远大于”是什么标准,仍然可以断言,即使再加大陀螺自转速度,其进动速度也不可能几乎没有区别,而是将遵守一定的比例关系。这是两陀螺的赤道惯量之比,而不是经典理论中的进动速度与自转速度之比。这说明教科书上的进动公式不符合实际情况。

那么正确的公式应该是什么?

我认为应该是:Ω=MgL/Jω

Ω……进动角速度; MgL……外力矩;  J……陀螺相对支点的转动惯量; ω……自转角速度

详细论证清参看http://www.topchinesenews.com/blog/viewblog.aspx?msg_id=1&user_id=4617&category=5&type_name=tuoluo>

针对规则进动的陀螺,只要在其旋转盘上任选一质点,分析此质点在陀螺旋转轴方向的加速度与速度的变化规律,就会很容易地理解陀螺为什么不倒,为什么进动。



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 [2楼]  作者:马国梁  发表时间: 2006/06/02 16:59 

哈呀,教科书上的外力矩完整表达式跟我推出来的公式形式一样,这证明了我们是完全正确的,真让我喜不自禁。我的公式是
M = J1ω1ω2 – ( Jo – 0.5 J1 )ω2ω2 cosα
另一能量守恒公式是
M cosα + 0.5 J2ω2ω2 = E (不变)
[楼主]  [3楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/02 20:25 

马先生,那两个三盘陀螺进动角速度是否相同?
如果不同,差距有多大?或者说两者进动速度的比值可以计算吗?

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 [4楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/02 21:41 

我觉得可能要从转动的基础问题入手?
我觉得他们可能忽略了一个关键问题: M=dL/dt 这个公式不能乱用,应该有个前提, 就是这里的外力矩 M 作用的轴心必须是引起相应转动(加速)的轴心, 在这里就是“章动”的轴心? 那么对应的角动量 L 就必须是“章动角动量”, 通俗的讲,我们要打开自来水龙头怎么办呢? 当然只有使得外力矩M的方向(按右手定则)与水龙头角动量L的方向相同, 如果你旋转错了,那可就喝不上水了吧? 可是书上却首先声明:忽略较复杂的“章动”旋转, 所以就只有把这个角动量L误认为是倾斜的自转角动量了(他们称做“总角动量”)? 参见《大学物理》(上册)陈宜生 天津大学出版社1999年出版, 试想:重力矩M会对自转角速度产生任何的影响吗? 显然不会,因为重力F=mg通过自转轴, 也不是直接影响进动角速度的(是间接的),因为重力F与进动轴平行, 重力F=mg只垂直于(且不相交)章动轴,这没有错吧?很基本的问题呀? 我觉得只有这样分析才能喝上水? 我用章动角动量L分析得到的结果与云野鹤的形式一样, 因为对于对称的旋转体,章动惯量=进动惯量, 其实我们的常识也告诉我们: 一个瘦高陀螺与一个矮胖陀螺的稳定性是不同的? 尽管它们的自转惯量可以是相同的,但是章动和进动就不同了, 估计是有一个关键问题误导了他们的思路, 就是章动角在稳定后似乎就基本不变了, 其实不然,陀螺的平衡正是靠了倾倒(章动)加自转, 不是章动停止了,而是当自转高速稳定后, 微小的章动就足以与重力矩平衡了,这是一个动态的平衡, 这个动态--平衡就是不断的微小章动(倾倒)与瞬间的抵抗、恢复平衡, 不知道我是否表达的清楚了? 简单的说就是:M=dL/dt不适用于作用力F与转动轴相交的情况, 不管这个转轴是竖直的还是倾斜的(所谓“总角动量”),
[楼主]  [5楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/02 22:10 

同感,角动量自身包含两项内容,我认为其中一项出了问题


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 [6楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/02 22:25 

关键是这个“转子动矩”G只能是“章动矩”G?

你是直接从“章动线加速度”变化规律入手分析的?
这样也是一种很正中要害的方法,
我也是从此处才理解了陀螺的平衡机理的,

他们的关键问题似乎是没有认识到维持陀螺平衡的关键之一正是倾倒转动(章动),
你用“章动线加速度”变化规律说明了这一点,

可是一旦忽略了章动,水龙头就打不开了?
外力F再大,也只能把水龙头拔起或折断,形成不了打开龙头所需要的转动力矩M, 这个问题实在是太基本了?
那么这个“转子动矩”G(参见你给出的照片)又怎能与外力矩M相对应呢?
除非这个G指的是“章动矩”? 所以也许可以说那两项没有一个是对的, 除非其中有一项是考虑了章动转动的?

[楼主]  [7楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/02 22:49 

必须重新认识陀螺

他们的关键问题似乎是没有认识到维持陀螺平衡的关键之一正是倾倒转动

这就是关键

针对规则进动的陀螺,只要在其旋转盘上任选一质点,分析此质点在陀螺旋转轴方向的加速度a=Asin(ωt)与速度的变化规律,就会很容易地理解陀螺为什么不倒,为什么进动。

抛开以往所有的刚体转动知识,只留下一个刚体转动定律,即:角加速度=外力矩/转动惯量,然后重新分析陀螺,走一条捷径,那就是只用f=ma,α=Q/I(刚体转动定律),再加上最基本的圆周运动和单摆运动规律

这样就能透彻地理解陀螺现象,从而就会知道他为什么不倒



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 [8楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/02 23:44 

我们能相互理解就好,附“章动近似分析法”

不行呀,就是因为他们“抛开以往所有的刚体转动知识,只留下一个刚体转动定律”,
于是就忽略了公式 M=dL/dt 中的M与L必须满足的空间关系?
容易犯一些初级错误呀?
“重新分析陀螺”是不错,可一定要考虑到转动的基本知识?
否则很难理解他们的错误出在哪里?
我有些不理解的是你似乎不太喜欢用“章动”这个词?
比如你说的加速度a=F/m不是“章动线加速度”吗?应该是的吧?

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(附)章动近似分析法:
表面上看,章动角似乎在衰减震荡后基本稳定不变了,
但其实只是由于自转速度较高,所以需要维持平衡的章动角速度很小而已?
一旦自转速度逐步减小,就会发现需要维持平衡的章动角速度较大了,表现为章动角的不稳定?
所以在自转速度较高时,能否假设章动角速度近似为一微小常量?

即:当自转角速度ω比章动角速度Ω大很多时,
小球从12点处到9点处所需的时间相对很短,因此在此期间的章动角速度Ω变化也就很小,
所以可以近似认为:
章动角速度Ω ≈ 进动角速度W,
或者:章动角动量L=进动角动量l?
这样似乎可以得到一个比较简洁的表达方式:

一种近似的计算方法是:
假设:章动角动量L= ΩJ ,
M=dL/dt ≈ ΔL/Δt
分析圆盘上任意点n(或对称小球之一),
当n从12点处按照陀螺自转180度后,到达6点处时有:
ΔL=2L =2ΩJ    (这一点由章动线速度更容易直观理解一些?)
Δt=T/2 =(2π/ω)/2 = π/ω
所以: M= 2ΩJ /(π/ω)= 2ΩJ ω/π =mgr 最后得到章动角速度为: Ω=(π/2)mgr/Jω 其中r是作用于陀螺质心的重力F到原点O的距离, 由于假设当ω远大于Ω时有:Ω ≈ W
这样也可以看出:
章动角速度Ω和进动角速度W都与自转角速度ω和“章动惯量”J成反比,与mgr成正比, 另外注意到对于对称陀螺而言,一般总有: 章动惯量J = 进动惯量J 可能还有个“常章角”和“动章角”的概念, 在陀螺高速稳定之后,“动章角”就很小了(角速度Ω近似为一常量), 而前面的r=R*sinθ, 这里R是陀螺质心到原点O的距离,θ就是近似的“常章角”---教科书中一般称其为“章动角”, 而陀螺的平衡就是靠了“动章角”加陀螺高速自转形成的?


 
=========================================
还有一点分析供参考:
在自转速度较高时,能否假设章动角速度近似为一微小常量?
那么绕某轴的线速度只与R的变化相关了,
在9、3点处,进动半径最大,因而进动线速度最大,而章动半径为零,所以章动线速度为零,
在12、6点处则相反,其他任意位置,由自转角决定圆半径的分解决定两个线速度的大小,

这样我们可以得到一个近似关系式:
章动线速度V=Ω*r1= Ω[R*cos(ωt)]
进动线速度v=Ω*r2= Ω[R*sin(ωt)]
(其中:Ω--章动角速度(近似常量);ω--自转角速度(常量);R--自转半径;r1--章动半径;r2--进动半径)


 

 [9楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/03 01:29 

还有个问题想探讨一下

另外还有个问题要与鹤兄探讨,就是章动惯量J与进动惯量j的问题,
按说:J=j= mrr= m(R*sinθ)^2,
这样公式就简化为:
Ω=(π/2)mgr/Jω  = Ω=(π/2)mgr/ω(mrr) 
= (π/2)g/ωr 

就是说尽管自转惯量相同,但是如果光盘到原点的距离 r 不同,
进动角速度Ω也会不同的,r越大,Ω越小, 是否可以尽量精确的测量一下光盘的进动角速度是否满足这个公式: Ω=(π/2)g/ωr  这要求最好有个激光转速计,以便较精确的测量自转角速度ω, r的测量比较容易,Ω用多圈累积求平均值,估计也够精确了?

不过按这个公式计算,你说的“两种情况”,进动惯量和进动角速度W应该是相同的? (即:两张光盘合并与分开的两种情况)
角速度不同是否会是空气阻力的不同呢?
不管怎么说吧,r不同,进动惯量j=mrr就肯定不同,对应的进动角速度W≈Ω就一定应该不同,
尽管现在教科书上认为:自转惯量并不随r变化,因而进动角速度W就与“进动惯量”j无关,
但实际的实验结果应该是:W直接与j=mrr相关?
具体的就是:
W≈Ω  =(π/2)g/ωr
进动角速度W与r成反比,
(而教科书认为:W是与r成正比的)


 [10楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/03 03:30 

好象明白点了,章动或进动其实是两个转动的组合

你看这样理解是否正确:
仍然是章动惯量J=进动惯量j,
但是J=j=mrr + 绕圆盘对称横轴的惯量,
因为这是两个转动的组合,一个是绕竖轴的进动,一个是圆盘绕横轴的自转,
所以总的“进动惯量”应该是这两项的和?

你说的“两种情况”显然后一项是不同的,所以进动角速度也就不同了?
这样看来还不能随便简化,依然是:
Ω=(π/2)mgr/Jω
但具体的J不但与mrr相关,还与陀螺的形状或圆盘的分布有关?
即:J=J1+J2,
J1:陀螺绕原点的章动或进动惯量,
J2:陀螺绕自身横轴的转动惯量(假设陀螺自转是绕其纵轴的),
看看这种解释是否成立呢?




[楼主]  [11楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/03 09:02 

抛开“矩”的概念,重新审视陀螺


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[楼主]  [12楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/03 09:14 

杨MM,最好一个一个地说

就是说尽管自转惯量相同,但是如果光盘到原点的距离 r 不同,
进动角速度Ω也会不同的,r越大,Ω越小,

这是不可能的,因为随着距离的增加,外力矩同时加大,进动速度只能越来越快,直至超越规则进动条件,导致倾覆。



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[楼主]  [13楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/03 09:51 

再次预言,规则进动的薄圆盘型陀螺进动速度是理论值的2倍
这个实验我实在是不能做了,因为我没有精准的监测设备,请有兴趣有条件的朋友帮忙验证。

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 [14楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/03 11:45 

可这是刚体转动问题呀?少不了角速度和矩的概念?

对于转动问题,完全抛开“矩”的概念恐怕不是明智之举吧?
关键是对于圆盘上任意点n,章动与进动的角速度都是相同的,
但是对于不同的n点,线速度是不同的(参见图示)?
只要求解出对应外力矩M的章动角动量变化量ΔL,
以及相应的时间变化量Δt,就可以利用:
M=dL/dt ≈ΔL/Δt
就可以先暂时求得一个近似的进动角速度W公式,
这就可以马上用实验检验出其近似的程度?

其实我们两个各自强调的都只是一个方面,
你强调的是“自翻惯量”J2,
我强调的是“中心惯量”J1,
可实际的“章动惯量”和“进动惯量”是:
J=J1+J2
缺一不可的?具体分析请参见图示:
http://photo.163.com/photos/yanghx22/51048126/1352698675/>

刚体转动的问题如果依然使用f=ma也可以,但是计算上就难以直接使用转动惯量J的概念,
只有对圆盘上的各点进行积分,而积分的结果正是转动惯量的意思?
但是在计算表达上就复杂了?而且可能会忽略了J1的问题?
当然,平动与转动之间总是可以相互转换的,
所以只是表达方式的一点问题而已?
关键是希望你能考虑到还有一个“圆盘中心章动线速度”Va就行了?
(你分析强调的是“n点章动自翻线速度”Vb  ?)

不过用f=ma做线加速度分析有助于理解类似振动的一些规律?
也容易理解陀螺平衡的一些关键机理?


 [15楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/03 12:33 

这个问题实验过吗?
仍然是章动惯量J=进动惯量j, 但是J=j=mrr + 绕圆盘对称横轴的惯量, 因为这是两个转动的组合,一个是绕竖轴的进动,一个是圆盘绕横轴的自转, 所以总的“进动惯量”应该是这两项的和? 这样看来还不能随便简化,依然是: Ω=(π/2)mgr/Jω 但具体的J不但与mrr相关,还与陀螺的形状或圆盘的分布有关? 即:J=J1+J2, J1:陀螺绕原点的章动或进动惯量, J2:陀螺绕自身横轴的转动惯量(假设陀螺自转是绕其纵轴的), 即: Ω=(π/2)mgr/(J1 + J2)ω =(π/2)mgr/(mrr + J2)ω 从公式看,mgr一项中的r虽然增加,但是分母中的mrr项是r的平方,增加的更快, 所以估计进动角速度W=Ω只会减小? 圆盘边缘n点的线速度肯定是增加了,但是角速度可不一定? 最好能实验一下看? 不过如果r过大,则J1过大,相应的转动矩=J1*Ω =J1*r*Va 过大, 可能会引起章动角的不稳定性明显起来?
 [16楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/03 15:02 

具体的计算,仅供参考

具体的说:
W≈Ω=(π/2)mgr/(J1 + J2)ω

其中J1+J2可以直接按照《数学手册》上给出的:
转轴与圆的某直径平行,两者距离为r1,圆半径为r2,则圆的转动惯量为:
J=J1+J2 =  [ r1*r1 +(r2*r2/4) ] m
这里:
J1=r1*r1*m,  (圆盘质心的转动惯量)
J2=(r2*r2/4)m,(圆盘转轴与直径重合:自翻惯量)

所以对于圆盘得到:
W≈Ω=(π/2)mgr/(J1 + J2)ω
=(π/2)mgr  / [ r1*r1 +(r2*r2/4)] mω
=(π/2)gr  / [ r1*r1 +(r2*r2/4)] ω

可以先做一点定性的实验,再考虑做比较精确的定量实验?
光电转速表应该不成问题吧?最便宜的380元一个,或者先设法借一个用两天也可以呀?

[楼主]  [17楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/03 16:21 

这是必然的。
现在的首要任务,是否定经典进动公式。即使是完整的进动公式也是错的,因为该公式选错了转动惯量,然后才是寻找新的公式。

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[楼主]  [18楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/03 16:26 

留下“角速度”

另外你对“章动”的理解好象有些问题,在现实中,章动现象是可以消失的。

点击查看原图

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 [19楼]  作者:马国梁  发表时间: 2006/06/03 16:49 

回复:请补充数据
两盘陀螺分开时,各段轴长是:d 2d d ,总长4d
三盘陀螺分开时,各段轴长是:d 2d 2d d ,总长6d 对不对?
请再告诉我:d = ?厘米,盘的直径为?厘米,自转速度为?转/秒.之后我就告诉你进动角速度分别是多少!

[楼主]  [20楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/03 17:01 

只测算两盘分开与相贴就可以了
两盘相贴时,重心距支点D
两盘分开时,两盘相距2D,即一盘退至支点,另一盘距支点2D

其他条件由你自定,自转速度一致,倾斜角度(重力矩)一致。

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 [21楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/03 17:52 

看似消失,其实是变得微小而已?

这就是经典理论对章动的理解了,
不过要注意的是如果没有微小的“变章动”也就不可能有你说的n点线加速度了?
因为“中心章动角速度”a等于“章动自翻角速度”b?
如果a=0,则必然有b=0,对应的线速度v=r2*b=0,则n点的线加速度=0 ?

其实查一下《数学手册》就知道这种情况下,圆盘的转动惯量(章动与进动)等于多少了?

 [22楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/03 18:04 

之所以会选错了转动惯量,
就是因为一开始就选错了与外力矩M对应的正确旋转轴?
转动的最基本常识是:有效外力矩不能与旋转轴相交或平行?

不过以后还是要拿出令人信服的实验数据来,这才是最有力的质疑?
所谓事实胜于雄辩嘛,
 [23楼]  作者:yanghx  发表时间: 2006/06/03 23:07 

还是争取自己动手吧? 你的动手能力看来不错,
你已经做了不少,干麻不继续呢?
检测设备暂时不需要很多,有一个数字光电转速表就可以了?

如果需要我来赞助这个转速表?各尽所能吧,
也可以有兴趣的朋友一起出资,但愿这是民间陀螺实验室的一个雏形?
[楼主]  [24楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/04 08:14 

谢谢杨MM


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[楼主]  [25楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/06/04 10:14 

正是如此

之所以会选错了转动惯量,

就是因为一开始就选错了与外力矩M对应的正确旋转轴

所以角动量定义出了问题,导致陀螺进动公式错误,甚至造成有关刚体转动的所有经典理论全部错误。



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