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好久没发新帖了-------2025元月已过半,发一贴 关于进动实验 根据刚体力学教材,陀螺形成规则进动,进动角速度Ω=M/Jω-------① 其中J---------转子的极轴惯量 根据根据牛顿质点力学推论,进动角速度应为Ω=M/2Iω----------② 其中I----------转子的赤道惯量 对于薄圆盘,两者相等,因为2I=J 但是对于球体,两者就要相差一倍 目前,尚无验证①式的定量实验,民间没有,官方也没有 所以我的下一步就是设计并实施这个实验 呵呵,说说容易做起来实在困难,再加上我并没有全力投入,已经拖了N年 此生能否做成该实验,真的不敢保证 下面说说为什么要做这个实验,赫然屹立教材几百年的定论,有必要做定量验证? 实话说,还真的有必要 首先,对于任何定论,都应该有定量实验支持,然而,目前无任何实验事实支持① 其次,原子物理学中的托玛斯进动,却给出了不利于①式的证据,即: 在考虑电子自旋以及进动问题时,出现了实验值比理论预期值大一倍的现象 理论计算采用的正是①式 托马斯教授不得不用相对论加以修正,硬生生加了个2进去,变成了Ω=M/2Jω 这样才使得理论与实验相吻合,从而挽救了襁褓中的原子物理学,并再次确认了相对论的战斗力 【如果】-------当时直接采用②式做理论估算,就会直接与实验值吻合 当然,前提是电子是个球形 ------------------------------------------ 这一切,都要等我的实验结果 如果验证②式正确,那就真的天塌地陷 如果验证①式正确,那就要说说牛顿质点力学推论为什么会错,说不定其中也有大机缘 继续等吧 看我啥时候心血来潮再次动手
进动----从手上的陀螺到电子自旋再到宇宙天体 一、陀螺进动根据图一建立理想运动模型如下 并选定边缘一质点观察该质点在随圆盘自转一周的过程中,其速率在变化,分离出垂直盘面方向的速度 就是v(t)=RΩsinωt Ω……进动角速度 ω……自转角速度 R……圆盘半径 这类似简谐运动的速度变化,必然具有相应的加速度,而且必然应该是余弦形式 开始求解 选择质点位于顶点时为起始时刻 现在开始分析质点的加速度以及受到的作用力 经时间t ,质点运行到下图位置建立质点的运动方程如下 x(t)=Rsin(ωt)cos(Ωt) y(t)=Rsin(ωt)sin(Ωt) z(t)=Rcos(ωt) (过程繁琐........略) 两次求导得到质点加速度 a²=[-R(Ω²+ω²)sin(ωt)cos(Ωt)-2RΩωcos(ωt)sin(Ωt)]²+[-R(Ω²+ω²)sin(ωt)sin(Ωt)+2RΩωcos(ωt)cos(Ωt)]²+[-Rω²cos(ωt)]² 整理得 a²=[2RΩωcos(ωt)]²+[RΩ²sin(ωt)]²+[Rω²]²+2[RΩωsin(ωt)]² 第三部分(上图中的3)-------2RΩωcos(ωt),方向与前两项垂直【a(t)=2ΩωRcosωt】 这就是与v(t)=RΩsinωt相对应的加速度 根据【外力是改变物体运动状态的原因】可知,质点不会自己出现加速度 那么,这个a(t)=2ΩωRcosωt从哪里来? 再看图圆盘受到两个外力F作用,将会出现角加速度α=M/I I……圆盘对3-9轴的转动惯量 M……两个F形成的力偶 而圆盘边缘质点,将会出现垂直盘面方向的线加速度 a(θ)=αr=αRcosθ考虑圆盘在自转,θ=ωt,那么,质点在随圆盘自转一周的过程中,垂直盘面方向的加速度是变化的 a(t)=αRcosωt这正是质点们变速运动的加速度2ΩωRcosωt a(t)=αRcosωt=2ΩωRcosωt→v(t)=RΩsinωt 他来自外力F形成的力偶M,迫使所有质点加速减速,形成圆盘的进动(=不倒) 外力F,不但没能使圆盘绕3-9轴旋转(倒下),反而使得圆盘出现了绕12-6轴的旋转(进动) ============================================== 副产品 αRcosωt=2ΩωRcosωt 整理得: Ω=M/2Iω-----------1️⃣ 圆盘极轴惯量=2赤道惯量,进动角速度Ω=M/Jω (经典力学规则进动角速度公式) 二、拉莫尔进动 1897年,约瑟夫·拉莫尔爵士推论微观粒子的磁矩在外部磁场的作用下会进动轨道运动电子在外加磁场(向下)的作用下,轨道进动示意图洛伦兹力F=ev×B 变换一下形式 f(t)=eωRBcosωt 方向时刻与轨道平面垂 根据电子的运动,还可以从另一个角度计算他的受力 假定电子绕核旋转的角速度为ω,轨道进动角速度为Ω 那么,他在图中F方向的受力为f(t)=2mΩωRcosωt 这称为“科里奥利加速度(力)”,与那个洛伦兹力是同一个力 据此,可以推算进动角速度Ω 2mΩωRcosωt=eωRBcosωt Ω=(e/2m)B ================================= 以上,根据轨道运动电子在磁场中受到的洛伦兹力,简单推出了拉莫尔进动角速度 明明白白实实在在 避免了教材中的假想的电流环、磁矩、没有力的力矩M=u×B等无中生有的概念 三、托马斯进动(完整原文不让贴.......这都难说能否通过) ======================= ...... 但进一步的研究也表明,由於反常旋磁因数为2,因此双重线分裂的计算结果总是比实验值大一倍。尽管如此,他仍认为电子自旋是一个令人著迷的想法。 ...... ...... 1926年4月,《自然》第117卷发表了美国物理学家托马斯(L.H.Thomas)的一篇文章,成功地用相对论处理了因数2问题。文章指出:在把核静止而电子运动的坐标系转换为电子静止而核运动的坐标系时,应考虑电子加速而产生的磁场,故自旋轴的进动角速度应作相应的修正,因而其进动率应当是原来计算的一半。托马斯在把此文章寄出之前先让玻尔过目。玻尔分别致信海森伯和泡利,通告这一进展。海森伯很快承认了托马斯的理论,泡利则坚持认为托马斯的计算是错误的。经过和玻尔几个星期的争论,并澄清了一些技术性问题后,泡利终於表示:"现在我毫无别法,只能无条件投降了!" ================================ 简单说,就是乌伦贝克和古兹米特在解决类氢原子光谱精细结构时,提出了电子自旋的假设,然而计算电子自旋轴进动的结果,总是比实验值大一倍。 这个问题在1926年由托马斯教授用相对论化解,从而为量子力学的发展扫清了道路 量子力学已经远离了经典力学,但是在计算电子自旋轴进动的过程中,还是要使用经典力学的Ω=M/L 也就是Ω=M/Jω,尽管磁矩已经作为基本量,不再关心角动量的构成 但是,脱离转动惯量和角速度只谈角动量,毕竟不是那么和谐,就像没有质量和速度只说动量一样 闲言不叙书归正传 如果乌伦贝克和古兹米特在计算时使用本文的1️⃣式,就不会出现【计算结果总是比实验值大一倍】这个困惑众多顶级科学家的问题 1️⃣式Ω=M/2Iω,假定电子为球形,那么该式为Ω=M/2Iω=M/2L,这样他们的计算结果就会与实验数据吻合 究其原因就是人们笃信角动量定理与动量定理一样坚不可摧,从未有人怀疑Ω=M/L 实际上,这个事件或许已经证明,Ω=M/L不一定靠谱 四、宇宙天体的进动 包括轨道进动(拱点进动)与自转轴进动(岁差) 待续........
被隐藏的是这个 以前我码过一堆文字《陀螺传奇》,这次就算是该文的续集吧 闲言不叙,书归正传 上回说到【我有什么权利或资格发表这些评论?】 ============================================= 不知从何时起,我就对陀螺非常着迷你看他,失去平衡却倔强地不肯倒下,反而整体出现水平旋转 这个现象令我迷惑不解,因为可能从开始学走路的那一天我就知道,要保持平衡,否则就会摔跤 尽管那时的记忆已经不复存在,但是这条铁律已经深深地印在我的脑海中,必将直到我消失的那一刻 尽管我接受过高等教育,也知道角动量定理dL=Mdt,但是始终解不开这个情结 看到圆盘状的物件,经常会拿在手里把玩,让他一边自转,一边绕竖直轴转动,不明白他为什么会这样 终于有一天,我忽然发现,圆盘边缘上的质点,速度变化很有规律该质点在随圆盘自转一周的过程中,其速率是变化的,他在加速减速、加速减速 分离出垂直盘面方向的速度,就是v(t)=RΩsinωt Ω……进动角速度 ω……自转角速度 R……圆盘半径 这类似简谐运动的速度变化,一定具有相应的加速度,而且必然应该是余弦形式 经多方求证,终于找到了这个加速度 a(t)=2ΩωRcosωt正是这个加速度,导致所有质点加速减速的周期变化,使圆盘形成了绕竖直轴的旋转(进动),而不会绕3-9轴旋转(倒下) 根据【外力是改变物体运动状态的原因】可知,质点不会自己出现加速度 那么,这个a(t)=2ΩωRcosωt从哪里来? 当然,任何人的眼睛都会盯住那两个F 圆盘受到两个外力F作用,将会出现角加速度α=M/I I……圆盘对3-9轴的转动惯量 M……两个F形成的力偶 而圆盘边缘质点,将会出现垂直盘面方向的线加速度 a(θ)=αr=αRcosθ考虑圆盘在自转,θ=ωt,那么,质点在随圆盘自转一周的过程中,获得的加速度是变化的 a(t)=αRcosωt哈哈,这不正是质点们变速运动需要的加速度吗? a(t)=αRcosωt=2ΩωRcosωt→v(t)=RΩsinωt 他来自外力F形成的力偶M,迫使所有质点加速减速,形成圆盘的进动(=不倒) 外力F,不但没能使圆盘绕3-9轴旋转(倒下),反而使得圆盘出现了绕12-6轴的旋转(进动) 至此,最初的陀螺心结已经彻底解开 ============================================== 副产品 αRcosωt=2ΩωRcosωt 整理得: Ω=M/2Iω=M/Jω (经典力学规则进动角速度公式)
主流内部的决斗----关于自行车与陀螺效应 在关于陀螺(即刚体力学)的教材中,一般会出现【自行车也是靠了回转仪效应才得以保持稳定】的观点据考证,西方力学教材中也有这句话(证据已经消失待补充) 当然不会是西方抄粱老,只能是粱老照抄的西方教材 回转仪就是陀螺了,关于其效应对自行车稳定的贡献,至少从半个世纪前开始就有人提出质疑 我国力学学会一般力学专业委员会及科学史与方法论专业委员会委员,《陀螺力学》编者刘延柱教授,明确指出【陀螺效应】仅占受控情况下自行车稳定因素的3%左右很显然,仅3%的贡献不能断言就依靠他 那么,非受控情形呢?也就是无人驾控真正的自行,情形又如何呢? 为此 1970年,英国人大卫·骏斯( David E.H. Jones)骑着增设反转车轮的自行车上街 陀螺(进动)效应抵消,照常骑行前几年荷兰达尔福特大学的研究团队也用实验事实,否定了维持自行车稳定的陀螺效应和脚轮效应近百年来,不断有专业学者以及业余学者,对教科书中的这句话【自行车也是靠了回转仪效应才得以保持稳定】从理论到事实多方位展开分析和批判 然而,有什么卵用? 如此尖锐明显的矛盾,有谁去关心? 主流过早做出的错误断言【自行车也是靠了回转仪效应才得以保持稳定】依然高挂教材之上 面向大众的科普也紧随其后 湖南卫视《快乐大本营》荒唐地请观众记住,自行车和陀螺都是角动量守恒原理 实际上进动的陀螺角动量不守恒 自行车也不是靠了角动量守恒才稳定 说起来,这些广为流传的错误理念,对大众的误导危害,远远超过所有民科的总和 许多人看到陀螺,会发出错误的言论【没骑过自行车吗】,说明已经深受其害 然而,并不见捍卫真理的反民科卫士们有任何行动,大概他们认为写在教材上的就是真理 如果真的加入刘延柱教授与梁昆淼教授(代理)的争端,恐怕就要反对刘延柱教授的理论分析以及荷兰达尔福特大学研究团队的实验事实了 当然,这个【争端】是我给放一起的,或许刘教授与梁教授从来没争论过 然而,两位教授的言论是如此矛盾,是不争的事实 相信将来会有澄清的那一天 那天有多久才会到来?只有天知道
陀螺进动的官方解释 【官方的方法】遇到此类问题,部分同学就说【自己去查书】【书上有】【自己去网上搜,这么简单还问】 说这些话的人,很可能自己都没弄明白教材的说法,直接一点就是自己也不知道陀螺为什么会这样运动 下面一起来看看教材怎么说 张三慧《力学》截图 (其他教材大同小异,均来自西方)本质就是【角动量定理】dL/dt=M=r×F 只要知道转子自转方向可以确定角动量方向,知道外力可以确定外力矩方向 用右手简单比划两下就知道进动的方向dL 这被称为【右手螺旋定则】 理论符合实际 人们常说【书上有】,指的就是这个,包括那些没看过书的人 因为书上只有这个,欧拉方程、拉格朗日方程的基础也是角动量定理,不过是弄成了复杂形式 OK,到这里你明白了吗?知道陀螺为什么进动而不倒下吗? 【小插曲】 一般教材的示意图基本都与上图类似,角动量与自转轴画在一起。其实这样做容易引起混淆,容易给人以【角动量】就是【陀螺】的错觉 改变一下转子的自转方向,角动量定理仍然适用,如下文字叙述也很简单,只需要把第一图的相应的【左】改成【右】即可 同样符合实际情况 =============================== 还是那个问题【到这里你明白了吗?知道陀螺为什么进动而不倒下吗?】 许多人说【我明白了!】【我想通了!】 然而,蜚声世界的理查德费曼教授却不这样认为 到了此刻,洞察力超凡的理查德费曼说理查德费曼说【(角动量定理)只是数学上的事情】,而不是【物理的方式】 或者说,角动量定理,并没有用物理的方式给出解释 更直接些,教材的方法并没有解决【陀螺为什么进动而不倒下】这个问题 沃尔特雷文教授,在讲完刚体力学理论临下课前,对同学们说【Amazingly nonintuitive,if you have problems with this,you're not alone】 不可思议的反直观性,不只是你们想不通 无奈啊 绝大部分同学,竟然【想通了】 这就【大众】与【大师】的区别 没有一定的洞察力,还真是一想就通,或者不想就通
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