关于陀螺为什么不倒,有一个疑问
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Fugue🍀 楼主
本人物理学理学学士。
【简述】
陀螺在初始的下倾过程中,X轴方向的角动量为什么不守恒?
【约定】
建立固定的坐标系,令:
重力方向为Z轴负方向;
陀螺初始位置为Z轴向X轴倾斜45°角,自转与进动都为逆时针(在Z轴有正的分量)。
陀螺有一端在原点稳定的支撑。另一端在初始时由细绳吊着。陀螺只有稳定的角动量,无其他运动。
若需定量讨论,以下物理量为1:重力、重力臂、重力矩;陀螺的转动惯量、初始角速度、初始角动量。
【理论】
t=0时,剪断绳子。
陀螺不会立刻绕Z轴进动,否则Z轴角动量不守恒。因为Z轴角动量除了陀螺自转角动量外,还有进动的角动量。
这时候陀螺的重心会降低,也就是确实会向下倾倒一个角度。自转角动量在Z轴上的减少,也由进动角动量补充上去。这样才开始了进动。
在这个过程中,因为重力矩是Y方向的,所以陀螺Z轴方向的角动量始终守恒。Y轴方向角动量的变化率等于重力矩。
——问题来了,既然陀螺有一个短暂的向下倾倒,X方向的角动量就会变大。而没有X方向的力矩,X方向的角动量为什么不守恒?——
在经过一段时间后,根据角动量定理,重力矩等于角动量的导数。稳定的进动。
【实验】
为此,我做了实验,可惜这里没法放视频。
陀螺确实有一个短暂的纯下倾动作,(这个短暂的过程就只有向下,没有进动,)然后震荡着进动。
然后可能由于阻力影响,最终稳定的进动(重力矩等于角动量的变化量)。
——问题来了,在初始下倾的一瞬间,X方向的角动量为什么不守恒?——
想了很久,也找人讨论了,但一直没搞明白。如果要保证初始一瞬间的X方向角动量守恒,那么陀螺初始的时候,角动量就要向Y轴偏转,但实验是向Z轴负方向偏转。
PS:不要简单的说角动量定理解释了陀螺为什么不倒,如果陀螺倒了,陀螺绕Y轴的倾倒,也是终于Y轴重力矩的。并且实验也证明了陀螺不是一开始就瞬间拥有进动速率的。它确实有一个很快下倾的过程。
PPS:会不会在下倾得过程中,角动量变小了呢?我也尝试把初始的倾角改为1°,用一个力把它从1°拉到89°,它的自转角速度并没有变小。
PPPS:虽然不能做实验,但是提供一篇参考文献吧:
南京大学 梁昆森 旋转的陀螺为什么不倒,第二页的截图:
2023年10月22日 18点10分 1
level 13
陀螺有个脚。
你拿一根筷子,让它倒下,角动量也不守恒。
2023年10月23日 02点10分 2
level 13
Fugue🍀 楼主
实验链接:网盘链接
提取码:1111
2023年10月23日 02点10分 3
level 5
你做实验的时候,陀螺接触的是光滑平面吗[滑稽]
2023年10月23日 03点10分 4
level 8
下倾是因为竖直方向受力不平衡导致的自由落体吧,剪短绳子瞬间支撑点给的支持力应该还是1/2mg
2023年10月23日 03点10分 5
level 8
理论力学有好大一部分讲这个,什么欧拉潘索条件啥的,有点忘了
2023年10月23日 04点10分 6
level 1
理学学士跑过来问贴吧小学生?
2023年10月23日 05点10分 7
@乱燕之舞 学士学位这种烂大街的东西还能也就你还会幻想能戳中别人痛点了[黑线]dinner言论被说了就是别人急了?楼里一堆正儿八经分析的直接当做看不见一棍子打死是吧[黑线]
2023年10月23日 11点10分
之前在这个吧问过疑难问题,还是给出了很强的解答的。 知网、油管等我都搜过了,只能发帖问了。
2023年10月23日 05点10分
这不得去人均985的微博问[笑眼]
2023年10月23日 05点10分
@寒冰多嘴小蘑菇 微博不背这锅。
2023年10月23日 06点10分
level 1
我博士面试题就问了这个,不过只要我解释进动,你说的那个下倾是章动吧,理论力学讲过但是我也记不清了
2023年10月23日 06点10分 9
level 1
进动和章动同时发生的吧,章动使Ⅹ轴方向角动量变大进动使之变小,两个正好抵消掉,完美[笑眼]
2023年10月23日 08点10分 10
level 1
不是纯下倾,你静止释放,在它开始加速下倾的同时就开始加速进动了,只不过可能你这个陀螺比较瘦长,进动角速度只需要很小就能弥补。你可以试试拿个自行车轮子做你这个实验,应该会很明显感觉到松手的时候不是垂直下倾的
2023年10月23日 08点10分 12
突然也就明白你上一条的意思了,“自转以外另外两个方向产生的角动量”,我懂了!
2023年10月23日 16点10分
我也考虑到这个问题了,就算不是纯下,那也会使X轴方向的角动量分量变大。 除非陀螺刚开始就是向Y方向进动,才会使X分量不变。
2023年10月23日 09点10分
@Fugue🍀 不会啊,你没考虑进动章动产生的角动量吧
2023年10月23日 09点10分
举个例子,1楼约定了角动量是1,倾角45°。那么初始在X轴的角动量分量是2分之根号2(简称Lx吧)。但凡这个角动量有一点-Z轴上的倾斜,由于L的大小不变(重力矩垂直于L),这个Lx就会增大。
2023年10月23日 09点10分
level 8
用高中物理解释一下
2023年10月23日 12点10分 13
一般高中不学刚体力学。
2023年10月23日 16点10分
level 13
Fugue🍀 楼主
感谢12楼大佬答疑,我明白了。
2023年10月23日 16点10分 14
level 3
拉格朗日泊松情况
2023年11月02日 15点11分 16
[真棒]有用
2023年11月02日 16点11分
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