中國科技館里有一件關于轉動慣量的展品 , 它上面有兩個一模一樣的滑道 , 有若干帶配重的滾輪 , 拿兩個形狀、配重數量都一樣配重分布不同的滾輪放在滑道頂端 , 同時放下 , 讓它們倆沿滑道滾動 , 會發現配重靠里的滾輪比靠外的滾輪滾得更快 。且慢 , 如果這樣理解 , 就誤解了轉動慣量的效果 。
花滑選手的轉速變化 , 是因為“轉動慣量”嗎?
【電梯配重轉動慣量怎么計算,i混動專用發動機技術分享】為什么雙臂伸縮會影響花滑選手的轉速呢?一些科普材料把其中原因歸為“轉動慣量” , 那么 , 到底是不是轉動慣量造成的轉速變化呢?接下來就把這件事掰開揉碎說一下 。先來說說轉動慣量是咋回事大家可能都知道 , 慣性是有質量物體的固有屬性 , 它影響到物體是否容易“動起來”或“停下來” 。質量越大的物體 , 要動起來或停下來就越困難 。
那么轉動慣量呢 , 它影響一個物體是否容易“轉起來”或“停止轉動” , 和物體的質量分布有關 , 對于兩個總質量相同的物體 , 質量分布越靠外 , 轉動慣量越大 , 轉起來或停下來就越難 , 反過來 , 質量分布越靠里 , 轉動慣量越小 , 轉起來或停下來越容易 。中國科技館里有一件關于轉動慣量的展品 , 它上面有兩個一模一樣的滑道 , 還有若干帶配重的滾輪 , 拿兩個形狀、配重數量都一樣但是配重分布不同的滾輪放在滑道頂端 , 同時放下 , 讓它們倆沿滑道滾動 , 會發現配重靠里的滾輪比靠外的滾輪滾得更快 。
乍一看 , 這不就跟花滑選手的例子一樣嗎?手臂伸開 , 一部分質量靠外了 , 轉得就慢;手臂縮起來 , 這部分質量靠里了 , 轉得就快 。且慢 , 如果這樣理解 , 就誤解了轉動慣量的效果 。請注意 , 它不是影響物體轉得快不快 , 而是影響物體是否容易“轉起來”或“停下來” 。換句話說 , 它影響的不是速度 , 而是加速度 。其實 , 這和花滑選手有一個很大區別 , 展品中的滾輪是在重力作用下沿滑道加速滾動的 , 而花滑選手是沒有借助外力 , 憑空加速和減速的 , 所以二者截然不同 。
影響花滑選手轉速的真正原因是什么呢?答案其實是“角動量守恒”!可能有的人會說 , 你別逗了 , 我知道中國科技館有關于角動量守恒的展品 , 人坐在椅子上 , 轉動一個橫放的大陀螺 , 然后把陀螺立起來 , 人就會跟椅子一起 , 往陀螺轉動相反的方向轉過去 。這跟花滑選手快慢變化有啥關系啊?屬于只知其一 , 不知其二 。角動量是一個重要的物理量 , 它是矢量 , 也就是說 , 它既有大小也有方向 , 上面提到的那件展品 , 展示的是角動量的方向守恒 , 沒提大小的事 。
而花滑選手旋轉的例子 , 要用角動量大小方面的守恒來解釋 。我們說花滑選手的轉速快慢 , 說的是她一定時間內轉了多少圈 , 換句話說 , 是“角速度” 。根據角動量計算公式 , 一個物體的角動量不變時 , 它的角速度和半徑的平方是成反比的 。選手的手臂伸開 , 半徑大了 , 角速度就要下降 。反過來 , 手臂縮回去 , 半徑變小 , 角速度就跟著上升了 。
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