關於陀螺不倒的原理,誰能清晰的解釋一下?

時間 2021-07-06 09:39:04

1樓:

那麼旋轉起來的陀螺呢,陀螺上的每一點質量都受到向心力的作用,這個力平行於陀螺的旋轉平面,垂直於陀螺的軸線。因此陀螺每點質量都在不斷的改變運動方向。這個力來自於物質原子。

它隨著旋轉而產生,自給自足,不用我們操心。

那麼在垂直於陀螺旋轉平面的方向呢,這個方向沒有力,所以陀螺上每點的質量在這個方向上不會改變運動方向。也就是說旋轉平面的位置不會改變。

所以結論就是:旋轉的陀螺不倒。這就是旋轉的陀螺不倒的原因!不要被一些人用這個那個的概念忽悠住,這個問題很簡單的。

2樓:foodie

我們先將陀螺的運動限定為剛體的定點轉動。

陀螺的進動現象可以解釋重力的力矩為什麼沒有讓陀螺「倒」下,因為進動讓重力的力矩作用在改變陀螺自轉所產生的角動量方向,而不會讓陀螺進一步傾斜直至倒下(先不考慮章動)。

但是進動現象是如何產生的呢?最直接的解釋就是陀螺只受重力、地面支援力、地面摩擦力,重力力矩沒有豎直分量,地面支援力、摩擦力都過定點,因此陀螺豎直方向角動量守恆。假設初始狀態陀螺沒有進動但有自轉。

重力力矩使陀螺向下傾斜,自轉產生的角動量在豎直方向的分量因此減小,為了滿足豎直方向角動量守恆,陀螺就需要產生進動來產生乙個豎直向上的角動量增量。

但是進動究竟是產生豎直向上角動量的「因」還是「果」?由於本人目前還只學習了《力學》而沒學《經典力學》,感覺還不能將上述問題說清楚,因此想嘗試通過受力分析定性解釋一下為何定點轉動的陀螺自轉軸傾斜會產生進動。

簡單起見將陀螺簡化為如圖的質量可以忽略的支架和支架上A、B、C、D四個質點。支架可繞固定點O點自由轉動。四個質點都繞自轉軸以 轉動。這樣就是乙個簡化的陀螺模型。

不妨設初始狀態下沒有進動。在重力的力矩下陀螺向下傾倒,傾倒的角速度沿x軸負方向,記為 以陀螺自轉軸建立參考係S'(注意這是乙個相對於地面參考係以旋轉的非慣性係),原點與O點重合。S'系中,B、D在同一圓周上運動,速度大小相同方向相反。

B、D在S'系中受到非慣性力(下圖紅色受力)和支架所給的真實力(與紅色力平衡的力再加上乙個指向自轉軸的向心力,圖中沒畫出來)。

相應地,支架受到B、D所給的反作用力(真實力)。(A、D對支架的反作用力也可以分析,但不會對進動產生影響因此不分析了)

於是隔離分析支架,支架所受的對O點的合力矩豎直向上,促使支架的質心繞z軸轉動,即為陀螺的進動。

同理可以簡單定性分析一下章動:

產生進動之後,陀螺自轉時,支架在A、C兩端就會受到上面所畫的真實力,它們對O點的力矩隨Ω增大而增大,直到與重力力矩抵消,但支架會因慣性繼續向下傾斜,繼續產生豎直向上的力矩,進動角速度Ω繼續增大,直到支架最終反朝上轉動,形成章動。

以上分析或許給我乙個啟示:重力並不是陀螺產生進動方向的旋轉的直接原因,重力對某點的力矩讓陀螺產生的對空間某點的旋轉才是引起陀螺產生進動方向的旋轉的直接原因。這也印證了了角動量守恆定律與空間的旋轉有深刻的關聯。

3樓:

可以看下我寫的文章,還算是淺顯易懂。

主要涉及到角動量和陀螺旋轉的穩定狀態。

4樓:aluea

如果忽略地面的摩擦力,陀螺還是會倒的,只是倒的慢一點。

道理其實很簡單。

想要改變物體的運動狀態,就需要施加力。

旋轉的陀螺有乙個豎直軸向的角動量,改變這個角動量的方向需要乙個衝量。

衝量=力*時間

轉的越快,角動量越大,衝量越大,時間越長。

5樓:

太多人喜歡囫圇吞棗的照搬角動量書本答案…不去理解事情發生的真實情形

其實書本上角動量的解釋主要是便於用公式計算,而事情真實的情形可以這樣來理解,陀螺質心立於旋轉軸上,支點在地面,靜止時不穩定,但在旋轉狀態下,其甩在外圍的質量都對質心產生穩定的一圈放射向外的離心力…形象的比喻就像陀螺盤外圍被一圈甩出去的放射線拉著,使其保持水平,而且外圍部分的質量越多、旋轉的越快,拉著的這一圈放射線「繃」的越緊,自然就不會倒下了

6樓:趙客

大部分物理教科書用角動量和力矩解釋進動,雖然數學上很簡潔,但是不直觀。我記得費曼物理講義裡有詳細的受力分析,有興趣的可以找來看下。

7樓:

如果陀螺保持絕對垂直但是不轉動的話,因為重量不可能做到絕對均勻,所以陀螺會向相對比較重的方向倒下。

因為加速度的關係,它倒下的速度是由慢變快的。

當陀螺快速旋轉的時候,每乙個方向都是它有可能要倒向的方向,不同方向彼此抵消,因此陀螺不會倒。

8樓:知識軟體知識全集

因為離心力啊,拿根繩子或者木棍水平轉圈,或者轉呼啦圈,轉速越快越水平。 揮舞繩子棍子時,繩子棍子是彎的,為什麼是彎的因為力的傳播速度的傳播需要時間,不均勻

而陀螺裡面力的傳導,速度的傳導需要時間,如果不水平那麼頂點到低點重力勢能做功,頂點速度最慢,低點速度最快,就可以理解為轉起來的呼啦圈和繩子棍子,速度越快越水平。

也正是這個速度差,所以不水平的陀螺還會進動,就是轉圈,而且這個轉圈的方向還是和低點的速度方向相同,就是因為重力勢能做功,低點速度比高點速度大,然後在中點合速度就朝向低點的速度。

還有個最通俗的解釋,他不是轉圈麼,就理解為轉圈的蹊蹺板,一邊要下去另一邊肯定就要上去,而他在轉圈,那麼剛要下去給轉到對面去了又要上去,這點一會兒要上去一會兒要下去,玩泥巴呢,寶寶不動啦。

9樓:

看不慣其他人胡說八道瞎扯犢子了。我以前寫過乙個相關回答知乎使用者:為什麼芭蕾舞演員踮腳跳舞不會摔跤。?

實際上因為初始擾動,陀螺在進動過程中與豎直軸夾角會發生變化,稱之為章動。這和生活中的陀螺運動是一致的(陀螺的平動可以通過適當變化消去)。

用力來分析不清楚的話,可以分析等效勢能,一部分是傾角變化引起的重力勢能,另一部分是旋轉引起的離心勢能。二者隨傾角變化存在乙個競爭過程。自然會有乙個平衡點,當傾角小於平衡點會增大,反之亦然。

當然夾角初始擾動不能過大,否則陀螺會觸地。

10樓:皮卡兵

乙個物體倒了,其根本原因是因為重力產生了力矩使物體發生了轉動。

而乙個旋轉的陀螺具有大角動量。而角動量會受力矩的作用而發生進動。重力矩被用以角動量的橫向轉動,因此陀螺不會倒。

11樓:wzq48

我覺得用「旋轉物體動態對稱」可以解釋這個現象。當物體旋轉達到一定轉速以後,就會整體產生以陀螺中心軸為對稱軸的現象。即陀螺中的每個縱剖面同時既在這裡又在對面的奇特現象。

如圖中OAB平面同時既在本身位置又在對面OAC位置。這樣整個旋轉陀螺關於中心軸就是絕對對稱的。不僅重力對稱,陀螺底部尖端對地面的接觸形狀也是絕對對稱的。

這樣重力與地面支反力在A點達成平衡。陀螺就不會倒了。

12樓:「已登出」

這個事情還是我來回答比較好,因為我是碰巧在上初中的時候學了牛頓定律就試圖去理解這個問題並最終想通了。而其他答主則是學完了角動量之後掌握了一種解釋,從而無法再用其他方式來思考了。

首先我們看一下陀螺為什麼會倒,如果你學過初中物理都知道這是因為重力和支援力不能夠平衡從而使物體受力產生加速度,改變了物體靜止的原始運動狀態。這裡支援力是被動因素,重力是主動因素。重力使得物體形成向下運動的趨勢,而地面阻礙了這個運動趨勢,從而產生了支援力,因為地面是傾斜的,兩個力不能平衡……

現在我們看旋轉中的陀螺,陀螺中的每乙個質點都受到了三個力的作用,重力,向心力和支援力。拋開被動因素支援力,我們可以看到向心力和重力的合力是指向陀螺軸心的,旋轉速度越快,這個指向位置越高。從而旋轉的陀螺並沒有向下倒的趨勢,反而是有向內部倒的趨勢。

這種趨勢會產生什麼效果我們可以從地球自身的重力看出來,地球對自己的重力都是指向地球內部的,所以地球在自身的重力下不會向裡倒(但是有趨勢,質量太大的星球會引力坍塌引發核爆,哈哈 )。

13樓:焦圈

其實每一本力學書都會把原理講清楚。

如圖所示:當陀螺傾斜時,重力作用在陀螺上,產生的角動量為M,方向向內,如果陀螺不旋轉,則會直接倒地。如果旋轉則要考慮總的角動量。

旋轉的角動量為L,垂直於陀螺上表面,則重力產生的力矩垂直於L,只會改變角動量的方向。經過任意▽t時間,重力產生的角動量與陀螺本身角動量向量相加後的新角動量會偏向乙個小的角度而不改變大小,如果沒有阻力從而陀螺的旋轉方向發生改變而不會倒,產生進動,傾斜角度和進動的速度也是可以計算的。

如果考慮阻力,當陀螺的角動量L變小時,重力產生的角動量改變相對很大,傾斜角度越來越大,超過一定,陀螺不穩,就倒了。

所以陀螺旋轉越快,重力的力矩相對越小,陀螺的指向越穩定。所以陀螺可以用來導航,我們手機裡面就有陀螺儀,可判斷我們手機的朝向。

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