【生活物理】貓尾巴與角動量守恆.

2021-03-01 環球物理


　一隻小貓不小心從二樓陽臺上摔下, 你一定很擔心貓會被摔死吧, 可你看到的是小貓不僅沒有摔死, 在小貓臨著地時, 只見貓尾巴漂亮的一甩, 就｀咪＇、｀咪＇地逃走了, 真是有驚無險哪．

　　細心的讀者或許已經注意到, 不管小貓開始以什麼姿勢落下, 而臨著地時它總是一甩尾巴, 然後四足著地．這有什麼道理嗎? 確實是有的．物理學上有一條基本定理, 即物體在不受到外力矩作用時, 它的角動量J, 即物體轉動角速度w 與轉動慣量I 之積為常數

　　J = w×I=常數

　　這就是角動量守恆定理．我們知道, 物體轉動時具有轉動慣性, 如我們能很容易轉動一個均勻的圓盤, 而要轉動一個相同質量, 半徑很大的圓環卻要費點勁．物體的轉動慣量就是用來衡量物體轉動慣性大小的, 它與物質質量及質量分布都有關, 因此改變質量分布時就能改變物體的轉動慣量, 根據角動量守恆, 物體轉動的角速度也會跟著發生變化．跳水運動員在起跳時總是盡力把身體捲曲起來, 儘量把四肢及腦袋收縮到胸前成球形, 以此來減小轉動慣量 (I=mr２, m 為質量, r 為質點與轉軸距離) , 增大轉速, 有的運動員在１０ 米的空中竟能轉體三圈多．然後快到水面時, 四肢都伸開, 減小轉速, 頭下腳上地鑽入水中, 一個漂亮的轉體１０８０°的動作完成了, 終於贏得了好成績．

　　小貓的動作也同樣可以藉助於角動量守恆來分析．小貓下落時, 身體不發生轉動, 總角動量為零．而快落地時, 尾巴一甩, 即尾巴有一個轉動, 即具有了角動量, 根據角動量守恆, 這時身體必須向反方向轉動, 產生一個反向的角動量, 來保持總角動量為零．另外由於貓很靈活, 它在甩動尾巴的同時還能調節身體各個部位, 以此來達到身體快速轉動的目的, 這樣, 當它快靠近地面時, 四肢已朝下, 首先著地, 就不會再傷害身體其它部位了。


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