我太难了,简直是左右为难!_风闻
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-10-19 15:48
原创:中科院物理所
最近小编诸事不顺
不禁感叹

但就在刚才
小编在路边偶遇一禅师
遂问道
**「**大师,有什么办法
能够走出困境」
大师没说话
默默地拿出一个神奇的装置
只是轻拨了两下
原本要倒的纸板
竟然顽强地站立着

我忽然懂了
**「**大师,你的意思是
纵有疾风起,人生不言弃是吗」
大师摇了摇头说道
「我看你这发量
应该是学物理的吧
这玩意我想了半天没明白
你能帮我解释解释原理吗」
实验器材
所标杯、剪刀、指尖陀螺、纸板、双面胶

实验过程
首先用剪刀剪出
一个圆形的纸板

在纸板两面的中心
用双面胶粘上指尖陀螺
尽量让两个指尖陀螺和纸板同心


装置完成
这时候我们同向拨动两个指尖陀螺
发现“左右为难”的纸板
竟然可以较稳定的立在桌面上

但当我们异向拨动两个指尖陀螺
纸板则无法保持稳定

原理解说
指尖陀螺(fidget spinner)是一种形状扁平的玩具,它的中间有一个轴承,在我们的拨动下,它会绕着这个轴承旋转。指尖陀螺的边缘一般会比较重,这可以增加它的转动惯量,增加旋转的时长。

指尖陀螺的本质是一个陀螺,陀螺有很有趣的特性,一个是定轴性,即在不受外力矩时,由于角动量守恒,它会保持自身的转轴方向不变。另一个是进动性,即如果存在外力矩,且这个外力矩的方向不沿着转轴的方向,那么陀螺就会出现进动。陀螺的进动角速度大小与陀螺的转动角速度大小存在反比关系,这就是陀螺转动的越快就越稳定的原因。

陀螺的进动
实验中的装置如下图,实验中最有趣的现象是:如果我们同向拨动两个指尖陀螺,装置可以稳定的立在桌面上。但是,如果我们异向拨动两个指尖陀螺,装置就无法保持稳定。小编查阅了相关资料,一通分析后觉得这与陀螺的进动有密切的关联。

实验装置图
当我们同向拨动两个指尖陀螺时,两个陀螺的角动量方向相同,互相叠加。此时,忽略轴承处的摩擦力,陀螺沿转轴方向的角动量是守恒的。在重力矩的作用下,为了保持轴向角动量不变,陀螺发生进动,由于两个陀螺转速较快,而且是二者叠加,所以进动的角速度很慢,因此纸板能够稳定地立在桌面上。但是,如果是反向拨动两个陀螺,二者的角动量方向相反,互相抵消,陀螺的进动作用相互抵消,整个装置也就不能稳定了。这一原理在一些机械工程被得到应用,它可以使高速旋转的部件易于被人们操作。
分析完这个有趣的现象后,小编转起了手上的指尖陀螺,而另一只手,拿起了所标杯,喝了一口浓茶,心满意足地点了点头。小编的生活,就是这样朴实无华且枯燥。
提醒:各位读者在玩的时候要注意安全,切勿用具有危险性的指尖陀螺做实验。
图片来源:
指尖陀螺:www.wattpad.com
陀螺的进动:jingyan.baidu.com