作者tonygump (阿尼)
标题Re: [问题] 陀螺因重力产生进动的能量疑惑
时间Sat Oct 31 11:50:14 2015
陀螺进动的能量从何而来?以及重力是否有作功?
与大家分享一下
我想进动的能量,应该是间接地由与地面接触的那一点受到的接触力而来,因为此接触力
不通过陀螺的质心,因此对於陀螺质心的运动以及陀螺相对於质心的运动都会有影响。
而此接触力的来由如下,因为重力对陀螺与地面接触点产生的力矩因角动量守恒使得陀螺
有相对於质心的额外的水平向旋转的倾向,但由於陀螺的接触点不能够移动,因此地面须
有一个接触力来阻止陀螺的接触点做水平向的运动。此接触力间接地会作用在质心上,而
使得陀螺的质心开始运动。因此接触力间接地对质心作功。详细请参考我写的部落格文章
http://whymranderson.blogspot.tw/2015/05/blog-post_13.html。
我以前也是为这个陀螺的章动与进动困惑许久,直到我用电脑模拟陀螺运动,并且画出陀
螺与地面的接触点的接触力的方向及大小後,我才稍微好像了解章动与进动从力的观点的
解释。我以前都认为此接触力通过原点,因此不必考虑,但好像不能这样思考。从动画模
拟可以看到,接触力的方向变化是很大的,并且,接触力的方向与陀螺质心运动的方向总
是相同的,也就是陀螺的质心的运动方向,总是与接触力的方向平行。因此陀螺的章动进
动其实可以用接触力作用在质心来解释。若有错误或建议也烦请指正与指教,非常谢谢。
影片必须在电脑上才看的到,因平板或手机不支援拨放flash动画。
有一个地方要强调一下,我们讨论的陀螺,是一个与地面有一个接触点,并且此接触点必
须固定住不动。这一个条件一般的玩具陀螺都无法达到,因为要固定住接触点必须要有一
些特殊设计过的结构,一般的玩具陀螺的接触点并没有固定因此会在地面上平移,所以是
不太一样的条件。绑在线上的陀螺也不一样,因为线会晃动。一般是要到陀螺仪等级才可
以达成这个接触点固定的条件,请参考我拍摄的影片
http://tinypic.com/player.php?v=29y0fbn&s=8 ,而教科书上讨论的运动以及推导的
公式都是在这个接触点不动的假设下展开。因此我们讨论的陀螺的章动进动一般只有在陀
螺仪才能观察到。而这个固定的接触点,就是我想特别提出来的地方。
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