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一個(gè)簡單的原因——角動(dòng)量守恒

2024-02-23 10:24:54教學(xué)視頻61

一個(gè)簡單的原因——角動(dòng)量守恒。 我們都知道天體是由物質(zhì)聚集而成的。 重力將物質(zhì)粒子拉向中心。 這個(gè)過程涉及無數(shù)粒子的相互作用以及動(dòng)量轉(zhuǎn)換和守恒。 宏觀結(jié)果是最終的天體很難保證旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量。 互相抵消為零。 大多數(shù)天體不自轉(zhuǎn),但也有例外。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

下面我們詳細(xì)討論一下:sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

角動(dòng)量的概念 角動(dòng)量是描述物體做圓周運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量的矢量。 它是圓周運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)中動(dòng)量的等效概念。 其大小等于物體的動(dòng)量,其方向與旋轉(zhuǎn)方向一致。 封閉系統(tǒng)中角動(dòng)量守恒。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

通俗地講節(jié)約,可以形容為“不用則不減,不增則增”,“內(nèi)部無論做多少,都不會(huì)多或少”。 重點(diǎn)是一個(gè)封閉的系統(tǒng)——一個(gè)與外界沒有任何作用或交互的系統(tǒng),一個(gè)孤立的系統(tǒng),一個(gè)“不被使用”和“不使用其他東西”的系統(tǒng)。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

m1*v1*r1=m2*v2*r2sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

質(zhì)量、速度和旋轉(zhuǎn)半徑構(gòu)成角動(dòng)量三要素。 如果保守的話,它們的乘積是恒定的。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

角動(dòng)量守恒定律是物理學(xué)中的關(guān)鍵守恒定律之一,其他守恒定律還有能量守恒定律和(線性)動(dòng)量守恒定律。 這些定律甚至適用于量子力學(xué)控制的微觀領(lǐng)域,它們的存在可以歸因于自然界固有的對稱性。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們首先看一個(gè)角動(dòng)量守恒的例子。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

如圖所示,花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可以被視為角動(dòng)量守恒的一個(gè)例子。 花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員所受到的冰面摩擦力非常小(凈扭矩),幾乎為零。 這有兩點(diǎn)很重要:sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

冰刀與冰面的接觸面積和摩擦系數(shù)很小,產(chǎn)生的摩擦力很小,并且(力很小)sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

冰面和冰刀尖端之間發(fā)生的一點(diǎn)點(diǎn)摩擦的作用點(diǎn)非常接近旋轉(zhuǎn)軸的中心(扭矩很小)。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

上圖:角動(dòng)量守恒,sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

天體自轉(zhuǎn)也是同樣的原因造成的sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

但天體形成的過程非常復(fù)雜,但復(fù)雜的過程也必須遵守簡單的動(dòng)量守恒定律。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

雖然簡單地看,我們可以認(rèn)為,如果引力是天體匯聚的原因,那么天體也可以以非旋轉(zhuǎn)的方式匯聚,因?yàn)橐χ惶峁┫蛐囊?strong>動(dòng)量守恒但角動(dòng)量不守恒的例子,就像我們縮回胳膊和腿一樣當(dāng)我們站在不同的時(shí)間。 它不會(huì)導(dǎo)致我們旋轉(zhuǎn)。 那么為什么大多數(shù)天體都會(huì)自轉(zhuǎn)呢?sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

因?yàn)樘祗w以不旋轉(zhuǎn)的方式形成的可能性極小。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

“不旋轉(zhuǎn)”顯然意味著“天體的固有角動(dòng)量為零”。 您必須知道,在宏觀尺度上,角動(dòng)量是一個(gè)連續(xù)量,具有無限范圍的可能值。 因此,當(dāng)一些天體開始從星云匯聚,或者從原行星盤分離時(shí),它們的總角動(dòng)量就會(huì)有一個(gè)分布,但這種分布是混亂且不均勻的,這就導(dǎo)致當(dāng)行星最終聚集形成天體時(shí),其總角動(dòng)量會(huì)存在一個(gè)分布。角動(dòng)量是其組成粒子的角動(dòng)量的矢量和,不能為0。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

上圖:星云收縮過程中,由于角動(dòng)量守恒,整個(gè)星云團(tuán)的旋轉(zhuǎn)速度變得越來越快。 這與花樣滑冰運(yùn)動(dòng)員過去把手腳移開的效果非常相似。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

更重要的是,許多天體本質(zhì)上是不對稱的。 即使形成了相對穩(wěn)定的天體,其角動(dòng)量分布也是不均勻的。 考慮到天體的不平衡性以及它們幾乎相當(dāng)于空間中的封閉系統(tǒng)的事實(shí),這些天體的自角動(dòng)量最終之和幾乎不可能完全等于0。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

上圖:太陽系形成的星云假說中角動(dòng)量守恒的描述。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

換句話說,輪換是不可避免的。 不旋轉(zhuǎn)是偶然的,而且?guī)缀跏遣豢赡艿摹?span style="display:none">sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

角動(dòng)量守恒是當(dāng)今地球和月球旋轉(zhuǎn)方式的原因sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

上圖:月球是在原始地球被另一顆較小的原始行星忒伊亞撞擊后形成的。 在此過程中角動(dòng)量保持守恒。 即使一塊小石頭撞擊地球,角動(dòng)量也是守恒的。 所以你可以想象,在任何天體系統(tǒng)中,微小的變量都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的角動(dòng)量不可能恰好為0,因?yàn)榧词褂幸粋€(gè)沒有角動(dòng)量的完美系統(tǒng),一顆小石子突然飛起來動(dòng)量守恒但角動(dòng)量不守恒的例子,甚至一個(gè)沙粒會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的最終角動(dòng)量無法保持在0,它會(huì)旋轉(zhuǎn)(盡管可能會(huì)很慢)。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

恒星形成的速度會(huì)影響星系中角動(dòng)量的分布,從而產(chǎn)生不同形狀的星系。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

上圖:由于橢圓星系中初始恒星形成劇烈,橢圓星系基本上不旋轉(zhuǎn)(但不完全旋轉(zhuǎn),只是旋轉(zhuǎn)得很慢)。 在螺旋星系形成的早期階段,恒星形成率不高,恒星不斷形成,產(chǎn)生比較大的角動(dòng)量,因此存在比較明顯的旋轉(zhuǎn)。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

黑洞可能不會(huì)旋轉(zhuǎn)sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

黑洞質(zhì)量太大,但黑洞具有極高的對稱性,因此可能具有巨大的角動(dòng)量,但也可能由于其獨(dú)特的時(shí)空特性而無法對外表現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)的特征,雖然理論上可能存在是三種類型的旋轉(zhuǎn)黑洞。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

上圖:黑洞旋轉(zhuǎn)的三種形式。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

我們的宇宙在旋轉(zhuǎn)嗎?sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

答案可能是旋轉(zhuǎn)和不旋轉(zhuǎn)。 因?yàn)樵谡麄€(gè)宇宙這個(gè)超宏觀層面上很難定義角動(dòng)量和旋轉(zhuǎn)。sxL物理好資源網(wǎng)(原物理ok網(wǎng))

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