例1陀螺的進動
圖1:陀螺的進動
如(左),陀螺旋轉(zhuǎn)時,若它的軸與豎直方向有一定夾角,軸會繞一個豎直軸平緩旋轉(zhuǎn),這些現(xiàn)象被稱為進動()。為了易于剖析,我們先假定陀螺進動的角速率比陀螺自轉(zhuǎn)的角速率要慢得多。這樣,我們就可以覺得陀螺的角動量${{L}}$與陀螺的軸平行。
陀螺在進動過程中,角動量大小不變,但方向不斷變化,所以角動量變化率$txrzbvzd{{{L}}}/txrzbvzd{{{t}}}$不為零。令${{L}}$的起點為原點,${{L}}$末端在方形軌跡上運動。$txrzbvzd{{{L}}}/txrzbvzd{{{t}}}$的方向仍然順著該矩形軌跡的切線方向。按照角動量定律,陀螺所受的扭矩${{tau}}$也具有同樣的大小和方向。
這么這個扭矩是怎樣形成的呢?我們對陀螺進行受力剖析如(右),要估算陀螺所受轉(zhuǎn)矩,我們?nèi)≥S的底端為原點角動量定理怎么用,假定陀螺的軸沒有質(zhì)量,則地面對陀螺的支持力$N$形成的扭矩為零,而重力形成的扭矩為${{tau}}={{r}}_0\times(m{{g}})$,其大小為$mgr_0sintheta$,方向垂直紙面向里,正好符合陀螺進動的要求。
比較違背直覺的地方在于,陀螺遭到的重力是延使陀螺傾倒的方向施加的,但是陀螺不但絲毫不會傾倒(假如不計磨擦),反倒其重心會奔向與重力垂直的方向聯(lián)通。要具體估算陀螺進動的快慢角動量定理怎么用,我們還須要曉得角動量和陀螺自轉(zhuǎn)的角速率的關(guān)系()。