人在圓盤上角動量守恒的原因是因為圓盤對人的作用力是一個力偶,力偶是作用于同一物體上的兩個不共線的平行力,其效果不會引起物體的加速度。因此,人在圓盤上受到的力偶作用不會引起人的運動狀態(tài)的改變,即人的角動量守恒。
角動量守恒的條件是:作用于物體的力和力偶同時存在,物體保持相對原來的位置不動,即物體的角動量不變。在圓盤上的人就是這樣一個系統(tǒng),圓盤對人的作用力和一個大小為mg、方向豎直向下的力F作用在圓盤上,這個力F與人的轉(zhuǎn)動軸構(gòu)成一個力偶,因此人在圓盤上受到的角動量守恒。
需要注意的是,角動量守恒并不意味著動能守恒,因為角動量守恒是在不考慮轉(zhuǎn)動慣量的情況下得出的結(jié)論。在考慮轉(zhuǎn)動慣量的情況下,動能和角動量都需要考慮。
當(dāng)人在圓盤上時,由于圓盤的旋轉(zhuǎn),人會受到一個指向圓心的力,這個力可以看作是圓盤對人的扭矩。這個扭矩會使人的角動量發(fā)生變化,但角動量守恒定律保證了角動量的總和不會改變。
假設(shè)有一個半徑為R的圓盤以恒定的角速度ω旋轉(zhuǎn)。一個質(zhì)量為m的人站在圓盤上,離圓心的距離為r。
M θ = I β
其中,M是人受到的扭矩,θ是人的角速度,I是圓盤的轉(zhuǎn)動慣量,β是圓盤的角加速度。
M = r m (ω^2 - (r^2) / R^2)
其中,m是人的質(zhì)量。
將上述兩個公式代入到角動量守恒的方程中,得到:
r m (ω^2 - (r^2) / R^2) θ = I β
其中I = (mR^2) / 3(對于一個均勻的圓盤)。
由于圓盤的旋轉(zhuǎn)速度ω和半徑r都是已知的,所以可以通過求解這個方程來得到人的角速度θ。由于θ很小,所以可以近似認(rèn)為θ≈θ+βt。這樣就可以得到人相對于圓盤的線速度v=θω。