指尖陀螺怎么玩(指尖陀螺怎么玩能一直轉(zhuǎn))

每天1個(gè)科學(xué)小知識(shí)，培養(yǎng)孩子的科學(xué)素養(yǎng)。

文 | 魔力科學(xué)小實(shí)驗(yàn)，本文為原創(chuàng)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源。

北京時(shí)間2021年12月9日15點(diǎn)40分，“天宮課堂”第一課在距離地面400公里的太空正式開啟。神舟十三號(hào)“感覺良好”乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富變身“太空教師”，在中國(guó)空間站精彩開講，并面向全球同步直播。

毫無疑問，這是迄今為止，孩子們上過的最貴的、最高大上的一堂“網(wǎng)課”了。

“上課”伊始之際，航天員葉光富演示了在太空轉(zhuǎn)身，嘗試了很多辦法都沒成功，最后以手臂畫圈的方式得以實(shí)現(xiàn)。轉(zhuǎn)身不應(yīng)該是腳的事嗎？與手何干？

只因?yàn)槟抢锊皇堑厍颍翘眨谖⒅亓Νh(huán)境下，舉手投足都異常艱難。

一起來回顧一下這個(gè)難得一見的瞬間：

幫助航天員完成轉(zhuǎn)身動(dòng)作的是角動(dòng)量！什么是角動(dòng)量？王亞平說的生活中還有很多類似的現(xiàn)象，又有哪些？這正是今天實(shí)驗(yàn)要探討的主題。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

理解角動(dòng)量的概念，認(rèn)識(shí)生活中角動(dòng)量存在的現(xiàn)象

實(shí)驗(yàn)材料

熱熔膠槍、自愈墊板、硬紙板

圓規(guī)、雕刻刀、指尖陀螺（2個(gè)）

操作步驟

1.用圓規(guī)在硬紙板上畫一個(gè)直徑約15cm的圓。

2.將紙板上的圓切下來，得到一個(gè)圓形紙板。

3.在紙板圓心處的正反兩面各粘一個(gè)指尖陀螺。

4.紙板扶正立于桌面，同向快速撥動(dòng)兩個(gè)指尖陀螺。

5.用同樣的辦法異向撥動(dòng)兩個(gè)指尖陀螺。

現(xiàn)象及原理

通過上面的實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)：異向撥動(dòng)兩個(gè)陀螺，紙板瞬間倒下。同向撥動(dòng)兩個(gè)陀螺，紙板在桌面旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間才倒下。

異向撥動(dòng)：

同向撥動(dòng)：

同向撥動(dòng)兩個(gè)指尖陀螺時(shí)，兩個(gè)陀螺的角動(dòng)量方向相同，互相疊加。忽略軸承與桌面的摩擦力，陀螺沿轉(zhuǎn)軸方向的角動(dòng)量守恒。在重力矩的作用下，為了保持軸向角動(dòng)量不變，陀螺發(fā)生進(jìn)動(dòng)，由于兩個(gè)陀螺轉(zhuǎn)速較快，而且是二者疊加，所以進(jìn)動(dòng)的角速度很慢，紙板能立在桌面一段時(shí)間。異向撥動(dòng)兩個(gè)陀螺時(shí)，二者的角動(dòng)量方向相反，互相抵消，陀螺的進(jìn)動(dòng)作用相互抵消，紙板應(yīng)聲倒下。

實(shí)驗(yàn)示范視頻

BGM: MusicLFiles - The Beauty Of Future Technology

拍攝/剪輯：科學(xué)奶爸

視頻加載中...

什么是角動(dòng)量及角動(dòng)量守恒

角動(dòng)量通俗地講就是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與角速度的乘積，也叫動(dòng)量矩，它相當(dāng)于物體轉(zhuǎn)動(dòng)中的動(dòng)量。角動(dòng)量是一個(gè)比較抽象的概念，我們只要大致理解為這是一個(gè)跟物體質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)速度有關(guān)的物理量就可以了。

既然是轉(zhuǎn)動(dòng)，那么跟方向一定有關(guān)。如何確定角動(dòng)量的方向呢？這個(gè)很簡(jiǎn)單，用右手定則即可判定：右手做個(gè)點(diǎn)贊的姿勢(shì)，四指指向轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向，此時(shí)大拇指所指的方向就是角動(dòng)量的方向。

以此類推，比如陀螺旋轉(zhuǎn)時(shí)，如果陀螺是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，那么角動(dòng)量方向是向上的，如果陀螺順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，角動(dòng)量是向下的。

如果一個(gè)物體沒有力矩的作用（即物體不受力的作用，或者作用力過旋轉(zhuǎn)軸時(shí)），物體的角動(dòng)量保持不變，這種狀態(tài)稱為角動(dòng)量守恒。

舉個(gè)常見的例子：滑冰運(yùn)動(dòng)員在原地旋轉(zhuǎn)時(shí)，通常都會(huì)把張開的雙臂收回來，此時(shí)轉(zhuǎn)速將會(huì)加快，旋轉(zhuǎn)也會(huì)更持久，就是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)慣量變小，而角動(dòng)量沒有改變的原因（即角動(dòng)量守恒）。

花滑運(yùn)動(dòng)員 / 圖片源于網(wǎng)絡(luò)，侵刪

航天員葉光富在空間站里“直立”于艙內(nèi)（實(shí)際上是懸浮），用右臂快速畫圈，此時(shí)轉(zhuǎn)軸就是自己的身體（逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)），角動(dòng)量朝上。由于微重力環(huán)境，在不接觸艙壁及周圍抓手的時(shí)候，航天員呈懸浮狀態(tài)，空氣阻力小到忽略不計(jì)，此時(shí)航天員就處在角動(dòng)量守恒的狀態(tài)。

跑起來的自行車為何不容易倒

騎過自行車的小伙伴們都知道，自行車騎得越快越穩(wěn)，反而速度慢下來更容易傾倒，這個(gè)可以用角動(dòng)量守恒來闡釋。

簡(jiǎn)單理解就是自行車具有一定速度后，車輪具有轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量，在車子偏向一側(cè)時(shí)，重力產(chǎn)生的力矩轉(zhuǎn)變?yōu)檐囕喌倪M(jìn)動(dòng)，車輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)而不傾倒，表現(xiàn)為轉(zhuǎn)彎。

自行車輪旋轉(zhuǎn) / 圖片源于網(wǎng)絡(luò)，侵刪

繞軸旋轉(zhuǎn)示意 / 圖片源于網(wǎng)絡(luò)，侵刪

當(dāng)然，自行車的問題比較復(fù)雜，角動(dòng)量只是其中一部分。與平衡也有著密不可分的關(guān)系，那是另一個(gè)話題了。

角動(dòng)量守恒的應(yīng)用

現(xiàn)代的陀螺儀都是根據(jù)角動(dòng)量守恒原理制作出來的，它是一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)裝置。不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動(dòng)控制系統(tǒng)中的一個(gè)敏感元件，即可作為信號(hào)傳感器。

比如，智能手機(jī)里就有它的存在，所以打游戲時(shí)，通過調(diào)整手機(jī)角度就能控制方向。

陀螺儀的工作原理是：在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著另一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)。

陀螺儀在科學(xué)、技術(shù)、軍事等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在飛機(jī)、輪船上都要安裝陀螺儀來保持平衡。此外，回轉(zhuǎn)羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉(zhuǎn)都要利用陀螺儀發(fā)揮重要作用。

看完今天的實(shí)驗(yàn)，是不是感覺特別燒腦，沒關(guān)系，據(jù)說腦袋就是經(jīng)常使用才能更靈泛。現(xiàn)在科爸有一個(gè)更燒腦的問題：

我們生活的地球無時(shí)無刻不在轉(zhuǎn)動(dòng)，那么，地球的角動(dòng)量是守恒的嗎？咱們?cè)u(píng)論區(qū)見~

我是一名理工碩士奶爸，愛生活、愛科學(xué)，陪娃做了400多個(gè)“魔力科學(xué)小實(shí)驗(yàn)”。關(guān)注訂閱我，每天3分鐘，陪孩子在家做個(gè)小實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)孩子的科學(xué)素養(yǎng)！

THE END