慣性的妙用，你都知道嗎

周曉秋

在八年級《物理》中，我們學到了牛頓第一定律，也知道了慣性是讓物體保持原來運動狀態不變的性質。盡管人類很早就和慣性打上交道，并在生活生產中不自覺地利用或規避慣性現象，但卻很少有人真正意識到慣性的存在、原理和影響。

隨著科技進步，慣性以不易想象的內容和途徑越來越多地參與到人們的日常生活中，帶給人們前所未有的精彩生活。本期，就讓我們走進慣性的世界，了解無處不在的慣性新應用。

摔倒的原因示意圖

陀螺保持穩定的原理

手機計步器 借助陀螺儀

慣性在人們孩提時就向每個人宣告了它的存在。無論是蹣跚學步的嬰幼兒，還是健步行走的成年人，誰沒有被地面障礙物絆倒的體驗？

人走動或跑動時，整個人體獲得了向前運動的速度。當其腳下被地面障礙物絆住時，因障礙物阻擋或受地面摩擦力的阻礙作用，腳步會停下，無法向前運動，但身體的上部卻未受到阻力作用，依然要保持原有運動趨勢繼續前行，此時上身前傾，當傾斜的身體重心越過身體重心線后，被絆住的腳步未能及時向前移動以支撐身體平衡，在重力作用下，身體上半身獲得向下的加速度，從而失去平衡，重重地砸向地面，這就是摔跤發生的原因。

其實，在許多智能設備中也隱藏著許多利用慣性的特殊功能。就拿走路健身來說，人們常使用智能手機的計步功能進行步數監測。那么手機是怎樣進行計步的呢？

科學家發現高速自轉的物體，其自轉軸都能用來判別或標示一定的方向。譬如地球就是一個繞地軸高速旋轉的天體，因此人們即使每天坐著也能“日行八萬里”（相當于463米/秒，比聲音在空氣中的傳播速度都大），故依據地軸的方向可以判別地球的南北方向，而人們也依據這一原理發明了陀螺儀。

智能手機內就安裝有慣性陀螺儀裝置，其中運用的旋轉物或滑塊結構，都是對慣性原理的運用。當手機隨著人們使用而發生上下及前后左右等空間位置變化時，機體內的陀螺儀旋轉體或滑塊因慣性作用，并不能時時隨機體的空間位置變化而立即改變，依然要保持原來的運動或靜止狀態，即保持原有的空間方向或位置，于是手機機體與陀螺儀旋轉體的軸線就會出現偏差，或迫使陀螺儀中的慣性滑塊與原有的空間位置出現位移，從而引起電路中的電流或電壓等信息變化。手機就通過這個變化“感知”出方向的改變。

種類繁多的陀螺儀

當人們將手機放在身上步行或跑動時，手機的運動方向及幅度會產生有規律的姿態變化，慣性陀螺儀和一種被稱為加速度計的部件便“感知”到手機姿態及空間位置的改變，通過大數據分析，將對應行走或跑步的規律性變化信息，以人們行進步數的信息呈現出來，這就是手機計步器功能的基本原理。

此外，科學家還利用陀螺儀“感知”方向和運動幅度的能力，開發出了手機或數碼相機拍攝中的防抖功能，通過手機或相機不斷地自我調整機身姿態，實現防抖效果。諸如智能手機具有的“搖一搖”找朋友、“發紅包”或向既定收款賬戶支付錢款等功能，也離不開陀螺儀的慣性定位基礎元件的作用。

智能導航 慣性幫忙

當然，單純地運用慣性陀螺儀往往只能感知運動物體方向的改變，欲知運動物體運動的距離、時間和速度等信息，常常還要同時配合使用加速度計或角速度計進行空間運動狀態的測量，而后根據其測量的數值，按照速度、加速度、距離及時間所存在的物理關系，經過相關數學計算，依次計算出此時運動物體的空間狀態，從而判斷出其所在的空間位置，并以數顯或語音方式呈現出來。

科學家通過陀螺儀和角速度計、加速度計的共同作用，感知汽車運動方向和速度變化，及其運行距離，同時還將其與衛星定位系統結合起來，根據手機陀螺儀慣性定位的信息與衛星定位系統空間位置之間的時時變化情況，實時地計算出手機所處的空間地理位置，并以語音方式告知使用者，從而使手機具有了智能化的導航功能。

角速度計結構及工作原理示意圖

如今使用的導航系統種類繁多，結構不同，且有的還要附設有關速度、距離及時間的計算程序，才能時時確定被導航物體的空間位置，但不管是機械陀螺儀、光學陀螺儀、微機械陀螺儀或電容陀螺儀構成的導航系統，都離不開旋轉物或滑塊等關鍵部件及結構。

除了汽車以外，飛機航行、輪船遠洋、無人駕駛，以及火箭和導彈的發射與飛行等很多廣泛領域及工具中，都離不開陀螺儀的定位導航功能。

獨輪、兩輪電動車不倒的秘密

慣性陀螺儀還可用于調整運動物體的姿態，使其始終保持特定的狀態。例如獨輪或兩輪電動平衡車，之所以能夠做到讓乘車者自如地駕駛而不會前后或左右傾倒的原因就在于其內部同樣裝有慣性陀螺儀和加速度計部件。

慣性陀螺儀和加速度計隨時將騎車人身體傾斜引起的車身傾斜參數，及車體的運動速率等數據及時傳送給微電腦進行計算，然后通過與設定的標準姿態參數進行比較，并根據比較結果迅速調整相關電機正反轉，發出轉動或停止運轉等指令，從而使電動平衡車或前進或后退、或快或慢，亦或調整車身傾斜的程度。就這樣，由于不斷地調整平衡車的運動姿態或速度，從而確保車身始終能保持前后左右的平衡而不致傾覆。

壓電式加速度傳感器應用于安全氣囊的起爆，剎車防抱死系統及定位巡航等方面，極大地提升汽車駕駛的安全性和穩定性。

獨輪體感車與兩輪電動車

VR虛擬入仙境AR現實眼前映

VR虛擬技術的信息輸入方式與常見的鼠標或鍵盤輸入不同，它通過人們穿戴的設備或各種操縱手柄，利用暗藏其中的陀螺儀等慣性元器件，通過人體在空中的姿態改變而引起的慣性信息來操控系統設備，在空中進行信息的動態輸入。系統將輸入的信息與系統預設的場景融合起來，使穿戴者透過眼前的屏幕，“進入”到無法想象的虛幻仙界或太空等空間，“身臨其境”般地感受難以想象的虛擬世界;或“體驗”充滿風險的各式各樣的極限運動等。

壓電式加速度計及工作原理示意圖

VR虛擬技術常用的慣性動作捕捉系統包含陀螺儀、加速度計和磁力計三個部分，分別用來處理旋轉運動，直線運動和方向問題。簡單地說，陀螺儀用來感知其是否“轉身”，加速度計用來感知其“走”了多長“距離”，而磁力計則用于其運動的“方向”。三種傳感器充分利用各自的特長來跟蹤目標物體的運動。

所謂AR增強現實技術，簡言之就是將虛擬場景與現實物體融為一體。即通過電子屏幕攜帶的攝像頭，對準現實中事先設置好的真實物體或圖片，當攝像頭拍攝的影像通過慣性定位裝置獲取到真實物體或圖片的定位信息后，通過與設備中內藏的信息比對，最終啟動相關視頻文件播放程序，隨后在電子屏幕上便看到了與現實物體關聯的虛擬圖像或場景，此過程中慣性定位裝置始終讓虛擬場景跟蹤現實事物，使二者保持高度融合。

在城鎮沙盤實景中，將城鎮擬建的建筑物利用虛擬技術在沙盤的相應區域呈現出設計師所設計的待建建筑影像，不僅能讓人直觀地看到其效果，而且還能任意地調整虛擬的造型，比實景模型效率更高，而成本更低、更直觀。

AR 技術在城鎮沙盤中的應用

風馳電掣過山車??重力慣性雙驅策

慣性原理在很多領域也有精彩的運用，例如，驚險刺激的過山車和激流勇進游樂項目。當過山車從初始的制高點下滑后，就一直處于無動力狀態。整個下滑過程中，完全依靠地心引力和慣性的共同作用。

當其穿越倒立軌道頂端時，環狀軌道迫使過山車的運動變成了高速的圓周運動。故而獲得了遠離軌道圓心向外的離心力，盡管此時人和車都倒懸著，但在該離心力作用下，人和車都緊貼著軌道運動而不會掉下來。

游樂項目中的激流勇進與過山車有相似之處。在重力作用下游船從制高點俯沖后，將重力勢能轉換成游船向下的動能，以較大的速度沖入低點處的水道。當游船滑至軌道最低點時，垂直方向上游船所受重力與被水面對其的浮力相互抵消;而水平方向上，游船在下降過程中獲得的高速度，使游船具有較大的慣性。正是這個慣性的存在，使游船到達軌道最低點時仍不會立即停下，還會在水平方向上繼續快速前行，驅使游船船頭和兩側快速撞擊水面，激起浪花，給人以無窮的奇趣和刺激的感受。

其實，無論是手機導航，還是VR眼鏡，這些慣性原理運用的事例不過是人類運用慣性現象的冰山一角。希望大家能以慧眼與膽識去發現和開辟更多更好運用慣性現象的事物，造福未來的人類。

過山車下滑過程中，依靠地心引力和慣性的共同作用