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什么是进动?这样看才直观!

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旋转的刚体,当受到垂直于转轴的力矩作用时,就会产生进动( precession)现象。

所谓进动,就是在原有的转动上再叠加一个新的转动。其特点是,物体不沿着力的方向偏移,而是让转轴绕一个新的轴转动,以抵抗力的作用。

以陀螺为例,一旦陀螺绕自身轴转动起来,当它发生倾斜时,其轴就会绕一竖直轴转动。如下图所示。


仔细看陀螺的运动,它的确有两个转动。第一个是陀螺的自转,其角速度方向沿其轴向下;第二个是其轴的转动,其角速度方向竖直向下,这就是进动。

显然,如果陀螺自转反向,进动也会反向。

进动反直觉——明明物体已经倾斜了,而又受到重力作用,按理说它应该倒下,但它却偏偏不倒下!好似有一个反抗重力的力,但却又找不到施力物体,因此进动得名“反重力”现象。

对此很多人不理解。本文试图不用任何公式,对进动给出一种直观解释。

让我们从惯性说起吧。

一个物体沿着直线运动,如果此时受到一个垂直于它的运动方向的力,这个物体将会怎么样?很明显,它将做曲线运动。

典型的例子,如下图所示的平抛运动。


质点由于水平方向有速度,既然重力与速度方向不相同,在重力的加速下,质点必然获得竖直速度,所以质点绝对不会被直接推到下方的一条水平线上运动。

另一方面,虽然重力是竖直向下的,但质点不会直接沿着竖直向下运动,这背后起作用的是质点的惯性。为什么呢?假若质点真的沿着竖直方向下落,那它的水平速度就变为零了,质点的惯性消失了!

横竖都不行,质点只能沿着一条曲线运动。

其实,圆周运动也是源于同样的机制。


质点在某个向心力(例如洛伦兹力)的作用下做圆周运动。质点没有发生向心运动,也没有保持直线运动。而是拐过去了造成了圆周运动。之所以这样,同样也是惯性造成的——它抵抗了向心力的作用。

综上我们看到,正是因为物体的惯性,它才具有抵抗与它速度垂直的力的能力,物体的轨迹既不会直接沿着力的方向完全转过去,也不会沿着力的方向发生平移,而是发生拐弯。

基于以上的认知,我们来做一个思想实验。

假设有一个绕地飞行的飞机,现在它绕地飞行,轨道如下左图所示。


假若当飞机经过某处(如下图中箭头所指的位置)时,对其施加一个向上的瞬间的力的作用,如下图所示。


根据上述道理,飞机的轨道不会如下图直接向上平移。


也不会如下图向上翻转。


当然更不会如下图瞬间转过90度的角。


而是会发生如下图所示的倾斜。


假设有许多飞机前后沿着一条圆轨道绕地飞行,现在对所有飞过该点的飞机都施加一个像上面这样的力的作用,那么这些飞机围成的圆环就会像下面这样发生倾斜。


若将这些飞机连接起来构成一个环,如下图所示,这个环在绕这地球旋转,若此时在某处也施加一个向上的力向上推这个环,在该处正对着的地球背面处施加一个向下的力往下推这个环,那么这个环也会发生同样的倾斜。


看到这里,我想你大概明白了吧!

不错,当你试图转动一个正在旋转的物体的转轴的方向时,它仿佛总是不太听话,它不会沿着这个推力的力矩方向转动,而是绕另一个垂直的方向转起来了!

看起来好像是,你推的那个力的作用点,好像神不知鬼不觉的往前移动了四分之一圆周,然后在那个位置起作用。

这就是进动,它看起来有点诡异。但这一切其实又非常自然!因为环及总能被看作是由很多沿着环运动的点(小飞机)组成的,而那些点的在推力的作用下的轨道的倾斜是显而易见的。

更直接地,进动还可用类比的思想来理解。

我们知道,转动惯量与质量的地位是相当的,都是体现物体惯性的。只不过,质量是描述平动的惯性,而转动惯量是对应转动的惯性。

质点运动中,我们讨论质点受到的与之速度垂直的力,而在刚体转动中,与力对应的是力矩,所以类似的,我们考查与物体角速度垂直的力矩。

如下图所示,陀螺本来在绕着它的轴自转,现在它倾斜了。重力试图让陀螺倒下,但它并不会倒下,而是发生进动。


基于类比思想的解释很简单:陀螺有惯性,而它又受到垂直于转轴的力矩作用,这导致它不得不产生一个新的转动,就好比直线运动在受到垂直于运动方向的力的作用时,会产生一个新的平动一样。

其实,进动的现象无处不在。

由于离心力的作用,地球赤道隆起,它并非一个完美的球体。赤道相对于黄道面也存在倾斜。地球在自转,所以地球就像一个旋转的陀螺,在月球和太阳引力的作用下发生进动,只不过其速度极其缓慢。事实上,这个巨大的陀螺大约每26000年才能完成一次完整的旋转。


生活中的例子其实很多,例如,当你手中的水杯盖子掉到地面上时,它会持续转一会儿才最终停下,这就是一种典型的进动现象。

有一种叫做欧拉盘(Eulers disc )的玩具,正是基于这一原理来工作的。


其实,只要物体在落到地面前在旋转,那么它落到地面时就会发生这种现象,它本质上就是进动。由于进动具有反重力的特点,所以它能维持物体持续转动而不是立刻倒下。

正是基于这一原理,那些略有经验的自行车手,当他需要拐弯时,如果他的速度比较快,他会选择将身体向拐弯的一侧倾斜,而不是转动自行车的龙头。


为什么往一侧倾斜能帮助自行车转弯?道理很简单,就是利用了进动的力学原理。相反,如果骑行较快时用龙头来拐弯,当然也会导致进动,但那个进动会导致自行车倒向地面。


上图是爱因斯坦1933年在加州理工学院骑自行车的照片。据说,这位伟大的物理学家是一位自行车爱好者,此刻他正倾斜身体以完成一个漂亮的拐弯动作。

参考文献

https://gkwl.cbpt.cnki.net/portal/journal/portal/client/paper/223f6464a4bfc06c29b773fd9b12e5c6

来源:物含妙理

编辑:Zoey

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