太空中上演的神奇實(shí)驗(yàn)（三）

自從人類(lèi)把航天器成功送入太空，各種科學(xué)實(shí)驗(yàn)就開(kāi)始了。這些太空實(shí)驗(yàn)千姿百態(tài)，妙趣橫生，增加了人們對(duì)太空的了解。推動(dòng)了航天科技的發(fā)展。在地面上。陀螺受到外力后轉(zhuǎn)動(dòng)一段時(shí)間就會(huì)停下來(lái)，在太空中，旋轉(zhuǎn)的陀螺會(huì)停下來(lái)嗎？它運(yùn)動(dòng)的位置如何確定呢？

請(qǐng)同學(xué)們來(lái)看王亞平做的第三個(gè)太空實(shí)驗(yàn)：旋轉(zhuǎn)陀螺——定向儀。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：如圖1，王亞平拿起一個(gè)靜止的陀螺。懸空放置，給它一個(gè)干擾力，這個(gè)靜止的陀螺開(kāi)始翻滾著向前運(yùn)動(dòng)，它的軸向發(fā)生了很大的改變。隨后，王亞平把它抓回來(lái)，讓它旋轉(zhuǎn)起來(lái)，放到同樣位置，給它同樣的干擾力。這次，陀螺不翻滾了。而是晃動(dòng)著向前“走”很快。王亞平再次把它抓回來(lái)。然后拿出另一個(gè)陀螺，讓它們一個(gè)靜止、一個(gè)旋轉(zhuǎn)，給它們同樣的干擾力。結(jié)果，靜止的陀螺開(kāi)始翻滾著向前移動(dòng)，而旋轉(zhuǎn)的陀螺雖然晃動(dòng)著。但是軸向基本沒(méi)有改變。

專(zhuān)家解讀：轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺具有“定軸性”，何為定軸性？就是當(dāng)陀螺轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在沒(méi)有任何外力矩作用在陀螺儀上時(shí)，陀螺儀的自轉(zhuǎn)軸在慣性空間中的指向保持穩(wěn)定不變的特性，也稱(chēng)為穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)慣性的量度）和角速度愈大，穩(wěn)定性愈好。定軸性遵守角動(dòng)量守恒定律——在沒(méi)有外力矩作用的情況下，物體的角動(dòng)量會(huì)保持恒定。航天員瞬時(shí)施加的干擾力不能產(chǎn)生持續(xù)的力矩，由于角動(dòng)量守恒，高速旋轉(zhuǎn)陀螺的旋轉(zhuǎn)軸就不會(huì)發(fā)生很大改變。而這一點(diǎn)在地面上之所以很難實(shí)現(xiàn)。并不是因?yàn)榻莿?dòng)量守恒定理不成立。而是因?yàn)橥勇菖c地面摩擦產(chǎn)生的干擾力矩等因素改變了陀螺的角動(dòng)量，使其旋轉(zhuǎn)速度逐漸降低，不能很好地保持旋轉(zhuǎn)方向。

王亞平介紹說(shuō)，高速旋轉(zhuǎn)陀螺的定軸特性在航天領(lǐng)域用途廣泛，在“天宮”一號(hào)目標(biāo)飛行器上。就裝有各式各樣的陀螺定向儀。正是有了它們，才能精準(zhǔn)地測(cè)量和矯正航天器的飛行姿態(tài)。

點(diǎn)撥：同學(xué)們可先來(lái)了解一下動(dòng)量的知識(shí)。如果不理解其中的含義，沒(méi)關(guān)系，只記住一個(gè)簡(jiǎn)單的公式即可，動(dòng)量p=mv，m表示質(zhì)量，v表示速度，動(dòng)量p方向與速度方向相同。角動(dòng)量在經(jīng)典力學(xué)中表示為到原點(diǎn)的位移和動(dòng)量的叉乘（高中會(huì)學(xué)到叉乘知識(shí)）。通常寫(xiě)作L，L=rp，其中，r表示質(zhì)點(diǎn)到原點(diǎn)的位移，p表示動(dòng)量。在不受外界作用時(shí)，角動(dòng)量是守恒的。有興趣的同學(xué)可以閱讀高中課本的相關(guān)內(nèi)容，說(shuō)不定會(huì)有更多的收獲。

高速旋轉(zhuǎn)的陀螺具有很好的定軸性。陀螺這一特性在天上、地下完全一樣。因此，有很多設(shè)備都是用陀螺組合來(lái)定向。在某些高檔轎車(chē)上就安裝了測(cè)量車(chē)身縱向和橫向擺動(dòng)的陀螺傳感器。可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身穩(wěn)定度的控制。

責(zé)任編輯 蔡華杰