陀螺能一直旋轉(zhuǎn)下去嗎

金仲輝

讀者小宇在一檔節(jié)目中看到有兩個(gè)制造陀螺的企業(yè)比賽誰制造的陀螺旋轉(zhuǎn)時(shí)間長.由此他想起了小時(shí)候喜歡玩的抽陀螺游戲.對(duì)此他產(chǎn)生疑問：“為什么陀螺能夠長時(shí)間旋轉(zhuǎn)而不倒下？是否和牛頓第一定律所描述的類似，在沒有外力作用下，陀螺會(huì)永遠(yuǎn)旋轉(zhuǎn)下去？為什么需要不斷用鞭子抽打陀螺.陀螺才能夠保持旋轉(zhuǎn)？”

這是一個(gè)很好的問題.想回答這個(gè)問題.需要正確理解牛頓第一定律，牛頓第一定律是這樣表述的：一切物體在沒有受到力的作用時(shí).總保持靜止?fàn)顟B(tài)或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài).要注意的是.定律中所說的“物體”是指質(zhì)點(diǎn)或平動(dòng)的物體.不涉及轉(zhuǎn)動(dòng)的物體.在之后的物理課程“簡單機(jī)械”一章中.我們會(huì)學(xué)到杠桿平衡.所謂杠桿平衡是指杠桿處于靜止或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，即一般物體在不受外力的情況下，還可以處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，由此可看出.當(dāng)一個(gè)物體（如陀螺）旋轉(zhuǎn)起來時(shí)，若它不受外界的作用，它可以永遠(yuǎn)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)下去.電視節(jié)目中的陀螺經(jīng)過了特殊設(shè)計(jì)，受外力影響較小.因此可以長時(shí)間保持轉(zhuǎn)動(dòng)，但由于無法完全消除外力作用.因此最終還是會(huì)停止旋轉(zhuǎn)，

由牛頓第一定律可知.要改變物體的靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，外界必須對(duì)它施以影響，這種外界的影響（或作用），也就是我們通常所稱的外力.在外力的作用下，物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化.具體表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)速度的大小或方向發(fā)生變化.而對(duì)勻速旋轉(zhuǎn)的物體而言.它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化就表現(xiàn)為旋轉(zhuǎn)速度大小或旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化.要想改變物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài).也要給它施以力矩作用，那么，什么是力矩呢？在之后的物理課程“簡單機(jī)械”一章我們會(huì)學(xué)到力臂的概念.力F到支點(diǎn)O的距離Z（如圖1）叫作力臂.如果F是讓陀螺旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，則l為動(dòng)力臂：如果F是阻礙陀螺旋轉(zhuǎn)的力，則l為阻力臂.力和力臂的乘積即為力矩.它的單位是N.m.

我們在兒時(shí)玩陀螺時(shí).要用鞭子不斷抽打它，才能使它不斷旋轉(zhuǎn)下去.用鞭子抽打陀螺.實(shí)際上就是改變陀螺的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，鞭子抽打陀螺產(chǎn)生的動(dòng)力矩.會(huì)加速陀螺的旋轉(zhuǎn)，但是，當(dāng)我們停止抽打陀螺一段時(shí)間后.陀螺會(huì)在空氣及地面摩擦力產(chǎn)生的阻力矩作用下停止旋轉(zhuǎn).

陀螺在高速旋轉(zhuǎn)時(shí).它的指向性非常穩(wěn)定.將指示方向穩(wěn)定的這個(gè)特征，應(yīng)用于回轉(zhuǎn)儀（如圖2），可制成航海、航空的導(dǎo)航儀器，但是回轉(zhuǎn)儀中的陀螺，無論是它的形狀還是質(zhì)量分布.都與玩具陀螺有很大的差別.

責(zé)任編輯 林洋