網上賣的磁懸浮陀螺,其原理是什麼?(更正篇)

2021-01-20 硬核車間



磁懸浮陀螺在淘寶上遍地都是，或許你會認為這是一種很廉價的小屁孩兒玩具，確實，我也這樣認為，但是它蘊藏的原理卻是極其深奧的。

 

在上一篇文章中，老羊錯誤的將磁懸浮陀螺原理簡單理解成以下兩個方面：①陀螺效應的進動性維持其平衡，②磁場的同極排斥作用讓陀螺保持懸浮。

 

不可否認，老羊曾經的猜想就像不知天高地厚的無知小兒，但是本人腦海中經常浮現一句話：簡單的事情背後其實並不簡單。

 

在這裡，希望屏幕前的你同老羊一起絞盡腦汁回憶一下曾經可能了解過的恩紹定律。恩紹定律的解釋是：靜電力、靜磁力、引力三者中的任意組合都不能讓一個帶電體或者磁體處於平衡狀態。

想像一下，我們將這個裝置暫停，留下某一時刻的靜態來進行分析：

我們要先來看下恩紹定律的具體解釋，你就能夠明白老羊要表達的意思了。
比如你把兩個小彈珠分別放在碗底和球頂，你覺得那一邊的彈珠是處於穩定狀態的。肯定是在碗底的小彈珠更穩定嘛，球頂的小彈珠要落下去，對不對。

當然了，以上只是兩種極端的情況，還有一種情況處於中間狀態，表現得比較緩和。這種複合勢能呈馬鞍形狀，當你騎馬的時候屁股下面坐的那張墊子就是馬鞍，前後上翹、左右兩邊向下拖。

 

這種勢能前後方向可以保持穩定，但是左右方向會「滑坡」，磁懸浮陀螺的複合勢能就是這種樣子的。（下圖中是馬鞍形狀的勢能，黃色小球會沿著勢能越低的地方滾動，並不會在鞍點維持平衡）

小結：磁懸浮陀螺的受力情況並不是簡單的同極相斥，如果是這樣的話，直接兩塊磁鐵就能保持懸浮。此裝置的受力情況是兩個磁鐵磁力和地球引力，3者共同作用的符合場，這三種力在靜態的情況下是不能維持平衡狀態的

為什麼旋轉的陀螺能夠懸浮呢？？？↓

Michael Berry是英國著名的理論物理學家，他在1996年就給出了磁懸浮陀螺原理的完整正確解釋。

Berry老爺子證明了，旋轉的磁陀螺通過某種神奇的作用，把原本是一個馬鞍狀的複合勢能變成了碗狀的複合勢能。相關資料給出的解釋是：磁陀螺的角動量、磁場、大磁鐵磁場相互作用。

當磁陀螺向右平移，陀螺軸是跟隨偏轉方向的磁力線傾斜，並沒有表現出陀螺進動性特點延遲90°偏轉。同理，向左偏轉就會向左傾斜。如下圖：

 

恩紹定律只適用於靜態的複合場，只要磁力、電力方向不發生改變，那麼這個複合勢能就是馬鞍形狀的。但是在上圖中，旋轉的磁陀螺左右偏轉改變了磁力方向，恩紹定律就不再適用，此時表現出來的複合勢能就是碗狀。


磁懸浮陀螺之所以能夠懸浮，旋轉的磁陀螺通過角動量、磁場，和大磁鐵磁場共同作用，表現出來的複合勢能是碗狀，陀螺的平衡點就是碗底，因為這個地方是整個複合勢能中勢能最小的點，這個概念被稱為勢阱。

但是老羊始終有一個疑問：陀螺的角動量是守恆的，但是沒有表現出進動性，而是參與到複合勢能中維持平衡，他是咋個做到的？？燒腦殼


—END—








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