◇◇新语丝(www.xys.org)(xys4.dxiong.com)(www.xysforum.org)(xys2.dropin.org)◇◇   转动的物体   作者:陈珂   我们的生活中处处可见转动的物体,如车轮、螺旋桨、陀螺、足球、地球等, 它们的运动呈现出一些有趣的性质。   先做一个简单的实验:取长>宽>厚的一本书(最好用橡皮筋扎起以免书页 翻动影响实验效果),在空中让其分别绕它的与长宽高相平行的对称轴旋转。你 会发现这本书可以绕与长边或厚度的方向相平行的轴稳定地旋转,但当绕与宽边 相平行的轴旋转时,无论多么小心地开始,书的转动总是不稳定,不一会儿就翻 转成绕另外两个对称轴中的某一个转去。这是刚性的物体作旋转运动的一个普遍 规律:绕最长或最短的轴的旋转是稳定的,而绕中间长度的轴旋转是不稳定的。 这就类似一粒围棋子很难立在碗口边沿,总要落至碗底才稳定一样。   我们见过孩子们玩的陀螺,在高速转动下它可以立在地面上不倾倒,而且用 鞭子抽它给它加速时也不会把它带倒,只是有时候把它的旋转轴抽得倾斜于地面, 细心的人会发现这时旋转轴也开始绕垂直于地面的轴旋转,有时还伴随着旋转轴 周期性的“点头”运动。这是因为这时地球的引力给倾斜的陀螺产生一个力矩, 如果陀螺不旋转,这个力矩自然会使它翻倒,但是如果陀螺高速地旋转,这个力 矩只能改变它旋转的方向,形成倾斜的旋转轴绕垂直轴的转动,但大致上还是保 持转动的方向不变。   从上面的例子中可以看到旋转的物体有保持旋转方向的稳定性,人们可以通 过有意使物体自转来防止外界的扰动可能造成的不可预料的翻转。生活中这样的 例子比比皆是:自行车、小孩玩的铁环、硬币可以在平面上滚动而不倾倒;现代 枪管壁中都特意加工有一组螺旋型的凹槽——镗线,可以让发射出的子弹自动沿 中心轴自转,以免各种扰动使子弹胡乱翻滚、在空气中像“香蕉球”那样偏离行 进的方向或引起湍流产生巨大阻力而影响精度和射程;体育运动中的飞盘、美式 橄榄球、飞碟也都是一边绕着自己的对称轴自旋一边前进,才飞得又远又准。   在全球卫星定位系统(GPS)发明以前,或是在无法接收GPS卫星信号的水底和 地下,高速旋转的陀螺都是很好的导航工具。指南针虽然可以利用地球的磁场确 定方向,但是它有不少缺点。首先它只能指示地球的磁极方位,这和地理的两极 有差异造成不便;其次由于地核的运动,地球磁极总是在不停地漂移,近150年 来总共已漂移了上千公里,因而难以靠地磁场精确导航;另外指南针易受其周围 铁磁性物体,如船体的影响,也给应用带来困难。船上使用的陀螺方位仪是在一 个封闭的球中有飞速旋转的陀螺,陀螺的旋转轴在重力作用下始终保持在水平面 内,整个球漂浮在液体中可以自由旋转。因为陀螺有保持旋转方向不变的特性, 所以不论轮船向什么方向行驶,陀螺的旋转轴的方向都是固定的。另外由于地球 自转的缘故,这个陀螺只有在其旋转轴指向正北时能量最低,也就是处于最稳定 的状态,于是陀螺开启一段时间后,它的旋转轴就指向正北,并保持在这个方向, 起到导航的作用。   转动的物体不易改变旋转方向的特性有时也会带来麻烦。既然这个旋转的方 向很难改变,如果硬要改变它,一定要用很大的力,一般这个力是通过轴承加在 这个转动的物体如轮子上的。于是强行改变物体转动方向时,轴承会受到很大力, 它和物体的转速及改变转动轴方向的快慢成正比。计算机的硬盘里就有高速旋转 的盘片,如果翻转得过快,就有可能损坏硬盘的轴承。所以建议读者挪动正在工 作的笔记本和移动硬盘时尽量平行移动而不要翻转它们,如果必须要翻转也要慢 慢地进行。   理解和掌握转动的物体的特性对于体操、跳水、花样滑冰等需要运动员空中 肢体旋转的体育项目也是必不可少的, 才能完成“直体后空翻两周加纵轴转体 720度”这样的动作。 ◇◇新语丝(www.xys.org)(xys4.dxiong.com)(www.xysforum.org)(xys2.dropin.org)◇◇