陀螺為什麼能長時間轉動不倒?

2020-11-29 澎湃新聞

陀螺為什麼能長時間轉動不倒？

2020-11-14 17:02 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務

陀螺

小時候應該都玩過了吧

小編那時是經常玩！

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日本人做了一件事，在最有影響力的廣播電視機構NHK做了一期節目，讓大家做陀螺，兩兩進行比賽，看誰的陀螺轉的時間長。決賽時兩個陀螺轉了近16分鐘還沒停，我們能從中看出來日本強大的精細加工技術和軸承技術。

▲陀螺比賽實況

陀螺旋轉時不倒原理

陀螺在旋轉的時候，不但圍繞本身的軸線轉動，而且還圍繞一個垂直軸作錐形運動。也就是說，陀螺一面圍繞本身的軸線作"自轉"，一面圍繞垂直軸作"進動"。

也即陀螺並非垂直立於地面之上，而是對地面法線有一定的偏離，向地面有一些傾斜。所以重力對陀螺的力矩不為零，而陀螺的進動角動量可以平衡重力矩的作用，所以陀螺在旋轉時不會倒向地面。

陀螺圍繞自身軸線作"自轉"的快慢，決定著陀螺擺動角的大小。轉得越慢，擺動角越大，穩定性越差；轉得越快，擺動角越小，因而穩定性也就越好。

利用高速旋轉來保持穩定的這種陀螺原理，其實已經被廣泛地應用於我們的工作和生活之中。比如，美麗的芭蕾舞演員在臺上表演的時候，她總是用腳尖像陀螺那樣不停地旋轉，否則，演員根本不可能用腳尖長久支撐高大的身軀，也不可能保持自身的平衡。

具有空中芭蕾之稱在懸空的鋼絲上行走自如或騎車表演的演員，通常必須手握一根具有良好彈性的長杆，或者雙手各執一種物件，以保持動態平衡。如果走鋼絲的演員兩手空空，就很難像在地上那樣行走自如。

陀螺已經不單單是作為玩具這麼簡單了，它的重要性在於：科學家根據陀螺的力學特性研發了一種科學儀器-陀螺儀，廣泛運用於科研、軍事技術等領域中。

當飛機或飛彈出現重心偏移的時候，陀螺儀就會迅速將偏移信息傳送給水平舵或垂直舵，調整俯仰或平飛姿態，使之正確地向接近。

陀螺儀是一種機械裝置，其主要部分是一個對旋轉軸以極高角速度旋轉的轉子，轉子裝在一支架內；在通過轉子中心軸XX1上加一內環架，那麼陀螺儀就可環繞平面兩軸作自由運動。

然後，在內環架外加上一外環架；這個陀螺儀有兩個平衡環，可以環繞平面三軸作自由運動，就是一個完整的太空陀螺儀。

陀螺儀原理：一個旋轉物體的旋轉軸所指的方向在不受外力影響時，是不會改變的。人們根據這個道理，用它來保持方向，製造出來的東西就叫做陀螺儀。

陀螺儀在工作時要給它一個力，使它快速旋轉起來，一般能達到每分鐘幾十萬轉，可以工作很長時間。然後用多種方法讀取軸所指示的方向，並自動將數據信號傳給控制系統。

陀螺儀為什麼會用在飛機上？

19世紀初期，剛剛誕生的飛機並沒有陀螺儀。飛機飛上天空，如果看不到地平線是找不到水平參考物的。飛機遇到氣流，機身會顛簸，姿態很難掌控，很容易墜機。

如何找到空中參照物，掌握飛行姿態，保障飛機安全這個問題迫切需要解決，人們就想到了陀螺儀。

飛機陀螺儀錶盤的度數就是飛機盤旋過程中的傾斜角度，角度越大，飛機盤旋的半徑越小，速度越快。

飛機的傾斜角度就是陀螺儀中陀螺的軸向和飛機傾斜方向的夾角。陀螺儀還能幫助機長找回機身平衡姿態，這就是陀螺儀被稱為平衡神器的奧秘。

除了機械陀螺儀，現在更多用到的是振動陀螺儀、光學陀螺儀。陀螺儀在身邊用途非常廣泛。

除了測量飛行姿態，只要是測量運動中的角度，並需要進行平衡校正的都用到了陀螺儀。

比如我們熟悉的手持穩定器、手機體感遊戲、平衡車、VR眼鏡裡都有陀螺儀。陀螺儀給我們的生活帶來了極大的便利和樂趣。

日常生活中很多好玩的東西裡面都有大道理，很多東西都有相關性，希望大家玩的時候也能好好琢磨。

（來源：環球物理）

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