滑冰運動員美妙旋轉時的物理原理:角動量守恆定律

滑冰運動是觀眾喜歡看的一項體育和表演運動。尤其是滑冰運動員在表演原地旋轉時,隨著運動員形體和手臂的伸展,運動員旋轉的速度越來越快,當運動員的手伸到頭頂後,這時的速度最快,然後運動員才會腳下剎車。
有的旋轉,運動員會將身體後仰,來減緩旋轉的速度。
這看起來很酷。但是為什麼運動員要這樣做呢?因為這裡面包含了一條物理定律,即角動量守恆定律。
該定律簡單說就是:旋轉速度和旋轉手臂的乘積是一個常數。就是說:旋轉速度和手臂的乘積是一個不變的量。
運用到滑冰運動員的旋轉技巧上,就是一開始旋轉時,將手臂伸開,這樣旋轉半徑就大,速度會慢些。然後,逐漸收回手臂,比如將原來張開的手臂逐漸向上伸舉,這樣手臂作為旋轉半徑,或者整個身體的旋轉半徑就變小了。根據角動量守恆定律,因為旋轉速度乘以旋轉半徑是常數,所以,如果旋轉半徑小,則旋轉速度大,反之,若旋轉半徑大,則旋轉速度小。所以你看到滑冰運動員旋轉的速度會越來越快。
他們會先將身體後仰以增大旋轉半徑,或者索性簡單地張開手臂,然後慢慢豎直身體和手臂,這樣就達到讓人觀賞到快速旋轉的場面。
需要注意的地方是,身體豎直和手臂上升不要太快,否則在和手臂垂直的平面會有一個力矩,試圖將你翻過身來。

直線運動時有動量守恆,這是為人熟知的。在旋轉時也有相應的角動量守恆。角動量守恆在生活中的應用還有,跳水運動員跳水的現象。尤其是高臺跳水,你會看到跳水運動員會將身體蜷曲起來,這樣她就會旋轉地很快,然後等到她快要入水時,再將身體打開,這樣旋轉的速度就下來了,就能更好地處理壓水花要小的技術了。
還有定性地講天上已經發射的衛星。衛星在距離地球較遠時,它會轉地慢,因為,半徑大。距離地球近的衛星,因為它的旋轉半徑小,所以它的饒地旋轉速度會快。

其實確切的講述角動量守恆定律是要考慮質量的。因為如果是點質量就是上面說的,一般就是:動量和旋轉速度的叉積才是角動量的定義,或者是質量乘以距離平方再乘以角速度。