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各位请指点,我到底错在何处
[楼主] 作者:云野鹤  发表时间:2006/08/22 23:51
点击:611次

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)。

点击查看原图

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……)



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 [2楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/08/23 02:11 

回复:注意一下经环,你会发现质心位置向运动方向上移了
我说了很多次了,你都不理会这个,没办法。虽然实际 上远比这个复杂,但足够解释为什么圆转和不倒了。 单建立标盘的话,是解释不了不倒的;因为你所建立的标盘与欧拉方程同属一个对称自封闭时空才能合理的表述方式,而实际上,陀螺并不是在对称自封闭时空所能表述的,因为它的自封闭性,被轴以及支点所打破。也就是说,你所研究的只是一个硬币在无重状态下的转动差不了多少。不过建立标盘的确是一个好的研究方向.问题是你会否接受质心上移这插件而已。这就好比如精神文明与物质文明都同样是一种人所使用的工具一样,只是虚与实的分别。

如果要研究问题的实质,我建义你找一根铜丝,由支点开始按自转速度/公转速度来按轴的高绕到轴上,再来就是标盘了。轴与标盘的接点当作支点,完成后,就来求一下质心的合成位置就行了。

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[楼主]  [3楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/08/23 08:17 

就说第一个动画,一步步来,质心怎么上移了?
你所说的经环指哪条线?

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 [4楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/08/23 09:54 

自转:V1
公转:V2=V1cos@1cos@2/2-->(轴质量为0)
轴到标盘长度:H-->(这里视作不参与运算,否则过于复杂,可以隐入V2中,而且支点不能理想化,并且要计算入轴质量,实际上按轴方向也有质心上移的分量。)
轴与水平面顷角:@1
经环与轴锥面顷角:@2=arctg(V1cos@1sin@2/(2V2))
公转时间:T=2Hcos@1*pi/v2
质心位置相对原抽象的偏移:(((V1cos@1)^2+V2^2)^(1/2))/(2gT)
,点在经环平面与标盘平面的交线上.
黄色的塑料环就是经环.

这就象是一锥形弹簧以锥点为O以@1为平面倾角,在离心力的作用下公转一样.原因是自动力分解(A)和外动力引入(-A)等效,原系统性不变;[自封闭等效-A/A=-1;外/内=-1;两者等效,因而研究对象非物质性内外运算等效.];由于数学没有学好,只能这样子,但如果明确一点的话,可以视作欧拉方程在欧拉方程的其中就可以了.

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[楼主]  [5楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/08/23 21:37 

我没有明白你的意思,你说的经线指的是那条线?
共同探讨,互挑毛病,才是良好氛围

望多指教,公式表达不清楚的,可以语言描述

谢谢

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 [6楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/08/24 00:13 

回复:我说的经环是黄色的塑料环.


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[楼主]  [7楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/08/24 10:13 

实验中没有发现整体质心上移的现象
上移的道理何在?
你一说封闭等效我就难以理解了,请通俗些解释

※※※※※※
 [8楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/08/24 12:13 

封闭等效可以等同于将一系统能量叉乘积点分布后抽象得到与它等效的另一个物体运动关系.因而它与实际研究对象可以存在质的分别,这也叫非物质性等效(当然包含物质性等效).
在陀螺运动关系中,如果硬要使它的质点不变的话,就得明白,它的能量在各质点的分布并不相等.也就等同于积分f(g(x))与积分g(f(x))一样.但前提是它们所处的维封闭性(x)一致.(有点象在解释抽象的思维表达)
http://www.xdlbj.com/show.asp?id=2077 似乎有人正在利用陀转来建立力场关系.但这只是一部分,你或者可以参考一下(他的做法会使得它所认定的构化基础出现反差,也就是奇点崩溃)

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[楼主]  [9楼]  作者:云野鹤  发表时间: 2006/08/24 16:41 

封闭等校的概念是你独创的吗?恐怕我一时半会还不能吃透
你推荐的文章太深奥了,弄进了原子核里面

我只是对陀螺多少有些了解,那些问题插不上话

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 [10楼]  作者:angelury  发表时间: 2006/08/27 14:32 

回复:要理解一部分是很简单的
陀螺为例
外部:自转+公转+倾角=定质点+离心力+倾角(其中自转自动力分解=-外动力输入(1=--1),质点叉乘能量=不均称固定质点分布(1=1))非物质封闭等效。
轴:刚性封闭(如果轴是丝线的话,不论如何,必需有一个刚性使丝线变直才会不使得陀螺不下落。)由此而可知,必定会有能量在轴中传递或做过度延时的作用。使得陀螺由刚性支持变为反向上升。
支点:(不动)由于陀螺重而有下压力F,也有平面支持力N,两者相等。由于自转与不动点关系,因而在不动点的转动必然使能量则轴向上下和前后左右方向分解,将其合成回弹入陀螺(理想化,不计算损耗)等量放样入陀螺质点。也就是不均称等效。
原来应计算V=Vsin(@t),但这里由于是质点按静态抽象到轴心O’点上因而中间已经隐入到质点上移,从而忽略了计算章动和自转公转转变调节而用能量直接进行内部运算。

封闭等效就是保持系统外表现不变性,进而用外部交换与非物质性等效来简化运算,因而可以在不理解内变换的情况下得到研究方向上的运算结果。这也是象之前所给出的积分相等运算一样。只不过用不均称质量分布叉乘均称能量分布等同不均称能量分布叉乘均称质点分布。 这种做法就象是画画与填色关系一样,先画画,后填色与先填色,后画画在运算上是一样的,但实际操作的话难道有着质的差别,这在相对难道叉乘做法范围下的等效原理。因而在限定下的理解是很简单的,但要真正明白,那就是很难的事情,因为它过于简单,所以等效复杂《-理论都是部分联系的,这里与相对论相似也有相同,表述为事物是相对的,维构论则表述为规限下等效,在易学中则表述为元分两极。

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