|
简简单单,陀螺现象探源
一、陀螺简介
绕对称轴自转的刚体就是陀螺。当有外力试图扭转其自转轴方向时,陀螺将表现出独特的运动性质,倾而不倒,水平进动,此现象人所共知。但是很多人认为陀螺倾斜不倒很正常,自转轴水平仍然不倒就难以理解,觉得很神奇。这说明相当多的人对陀螺的观察了解并不深刻,因此有必要对陀螺现象作一下简单介绍。
以上视频展示了陀螺几种常见的运动方式,由此看出,陀螺现象可以发生在任何场合,只要有外力试图改变其自转轴方向,并且其自转速度与外力矩符合某种关系,在理想状态下陀螺都将进入规则进动状态,并长久保持。 这些现象就发生在我们身边,并且遍及整个宇宙。任何天体都在自转,我们的地球、太阳、太阳系、银河系整体都在自转,都表现出陀螺的运动性质。它们都与我们眼前的陀螺一样,遵守着同样的规则。那就是陀螺的三大特性:稳定性(不倒)、进动性(公转)、章动性(点头)。 这些特性从何而来?他们背后的原因是什么?它一端悬空为什么不掉下来?又为什么会有水平公转? 本文试图从最基本的概念入手,用质点的圆周运动+简谐振动,揭开上述谜团。 二、从自由陀螺开始 所谓自由陀螺,是指陀螺没有支点,所受外力为力偶,不会导致陀螺质心移动,就像我们的地球,旋转、进动的定点在陀螺的质心。 在理想条件下,陀螺受恒定力偶作用,仍然会进入规则进动状态,就从此刻开始分析。 简化陀螺为薄圆盘,力偶持续作用于圆盘,陀螺已经在水平面内规则匀速进动。为方便分析,建立随圆盘运动但不随其自转的表盘作为参照。(参考图如下,两个F组成的力偶Q持续作用于圆盘,圆盘顺时针以角速度ω自转,并绕竖直直径(12-6轴)以角速度Ω进动) 三、质点自转一周垂直于盘面的速度变化 在圆周上选择一质点m(12点处),m随圆盘自转一周,将在垂直于盘面的方向发生速度变化,12点处速度为0、3点处速度最大(V=RΩ)、到6点处再次为0、至9点处反向速度最大(-V),回到12点处再次为0。将线速度标示在圆盘上,则如下图 这实际上就是现实中质点的运动规律,事实就是如此。质点m自转一周,垂直于盘面的运动速度v=Vsin(ωt),这就是表盘以12-6轴水平翻转时圆周上的速度分布。 四、速度变化说明有加速度存在 质点在自转一周的过程中,垂直于圆盘的速度v=Vsiin(ωt),这显然不是匀速,因此必有加速度存在。在速度变化为严格的正弦规律时,加速度是什么规律? 根据简谐振动规律,速度变化遵循正弦规律时,加速度变化必然遵循余弦规律,即质点在垂直于圆盘的方向存在以余弦规律变化的加速度a=Acos(ωt),将此加速度按时间顺序还原到圆周上相应的位置,则如下图 这正是在力偶Q作用下,圆盘出现以3-9轴翻转趋势时,圆周上线加速度的分布。根据刚体转动定理,圆盘以3-9轴翻转的角加速度α=Q/I(I……圆盘对3-9轴的转动惯量),12点处线加速度A=αR,其余各处线加速度a=Acos(ωt)=αRcos(ωt) 这是极为简明的、完美的对应关系,除此之外再也找不出其他加速度,因此只能是力偶引起的圆周各位置的线加速度与质点的线速度对应。 五、定性分析 从前面的分析可以看出,质点的线速度变化v=Vsin(ωt)必然与力偶导致的圆周各点线加速度a=Acos(ωt)相对应,二者是共生关系,当然也可依逆向推理,由线加速度推导质点的线速度,也就是说,当竖直方向力偶作用于自转的圆盘时,将导致圆盘发生水平规则进动。 即每个质点自转到加速度最大处(12-6轴)时,垂直于圆盘的线速度均为0,因此12-6轴空间位置不变,这就是陀螺稳定性(不倒)的根源;同时根据质点线速度变化规律,圆盘自身还将出现水平翻转,这就是进动的来源。当圆盘顺时针自转时,进动方向必为顺时针,不可能出现反向进动。 因此下图的陀螺,重力和支点的反力试图在水平方向翻转圆盘,根据以上分析各质点的速度变化表明圆盘自身将水平翻转,圆盘逆时针自转,必然逆时针翻转,但是受到支点的制约,整体表现为绕支点逆时针公转(进动)。 如果支架底座与支撑面没有摩擦,整体必然表现围绕陀螺质心做逆时针圆周运动。对此有如下实验证实 实验虽然粗糙,但足以说明问题,那就是陀螺的进动来源于自身扭转。 六、定量分析 根据以上思路,完全从质点最基本的的圆周运动+简谐振动角度出发,同样可以解释陀螺现象,阐述其出现的根源,当然也可以据此进行定量分析,推导出陀螺所受力矩与进动速度的关系,并根据质点简谐振动的规律,推导出陀螺进入规则进动状态的条件……即外力矩一定时最小的陀螺自转角速度,以及陀螺自转角速度一定时所允许的最大外力矩 (待续……) ※※※※※※ |