孫仕鵬

【摘 要】角動(dòng)量這個(gè)概念是經(jīng)典物理學(xué)中的重要組成部分，主要是為了研究物體的轉(zhuǎn)動(dòng)。剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度的乘積叫做剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量。角動(dòng)量守恒定律是力學(xué)中三大守恒定律之一，具有非常重要的地位。本文將簡(jiǎn)要介紹角動(dòng)量守恒定律和它的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】角動(dòng)量；角動(dòng)量守恒；應(yīng)用

生活中可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，人走路的時(shí)候正常情況下都是會(huì)擺臂的，這在人看起來(lái)是十分正常的，但是其中也蘊(yùn)含了科學(xué)的知識(shí)，就是角動(dòng)量守恒。

一、角動(dòng)量

剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和角速度的乘積叫做剛體轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量，或動(dòng)力矩，單位是kgm2/s。的角動(dòng)量是描述物體轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)的物理量，對(duì)于質(zhì)點(diǎn)在有心力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，如天體的運(yùn)動(dòng)，原子中電子的運(yùn)動(dòng)等，角動(dòng)量是非常重要的物理量。角動(dòng)量可以表示為L(zhǎng)=Iω。其中L表示角動(dòng)量，I表示慣量，ω表示角速度矢量。

二、力矩

在物理學(xué)中，力矩可以被想象成一個(gè)旋轉(zhuǎn)的力，這個(gè)力會(huì)使物體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，這個(gè)力被定義為線型力乘徑長(zhǎng)。國(guó)際單位制中，力矩的單位是N/m。

三、角動(dòng)量守恒定律

剛體的角動(dòng)量定理常寫(xiě)成代數(shù)形式Mdt=dL。當(dāng)M=0時(shí)，dL=0，即L=恒矢量。當(dāng)質(zhì)點(diǎn)或質(zhì)點(diǎn)系或剛體所受外力對(duì)同一參考點(diǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)軸的力矩的矢量和M為0時(shí)，系統(tǒng)對(duì)同一參考點(diǎn)或轉(zhuǎn)動(dòng)的角動(dòng)量L保持不變（大小、方向都不改變）。這就是系統(tǒng)的角動(dòng)量守恒定律。角動(dòng)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律一樣，是近代物理理論的基礎(chǔ)，是更為普適的物理定律。

角動(dòng)量守恒定律適用于慣性系和質(zhì)心系，對(duì)其他非慣性系，因?yàn)橐?jì)入慣性力的力矩，一般系統(tǒng)角動(dòng)量不守恒；因此在應(yīng)用角動(dòng)量守恒定律時(shí)要注意參考系的選取，不能想當(dāng)然地在非慣性系中運(yùn)用角動(dòng)量守恒定律。

角動(dòng)量守恒定律是自然界普遍存在的基本定律之一，角動(dòng)量守恒實(shí)質(zhì)上對(duì)應(yīng)著空間旋轉(zhuǎn)不變性。

四、角動(dòng)量守恒的判斷

當(dāng)外力對(duì)參考點(diǎn)的力矩為0，質(zhì)點(diǎn)或質(zhì)點(diǎn)系對(duì)該參考點(diǎn)的角動(dòng)量守恒。四種情況下可判定角動(dòng)量守恒。1.最簡(jiǎn)單的一種，系統(tǒng)不受外力。2.外力均通過(guò)參考點(diǎn)。3.每個(gè)外力的力矩不為0，但其矢量和為0。4.準(zhǔn)確的說(shuō)此種情況下角動(dòng)量不守恒，內(nèi)力對(duì)參考點(diǎn)的力矩遠(yuǎn)大于外力的對(duì)參考點(diǎn)的合力矩，即內(nèi)力的影響遠(yuǎn)大于外力的影響，角動(dòng)量近似守恒。

五、角動(dòng)量守恒定律的應(yīng)用

人為什么走路的時(shí)候要甩動(dòng)手臂，我們選取人的質(zhì)心與地面垂直的直線作為參考軸，右腳向前同時(shí)左腳踩在地上提供摩擦力，此時(shí)右腳有一個(gè)相對(duì)于軸向前的速度，左腳有一個(gè)相對(duì)于軸向后的速度，如果手臂不動(dòng)，那么此時(shí)身體有一個(gè)相對(duì)于軸向左運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量，為了保持人體的平衡，人潛意識(shí)選擇用與前進(jìn)的腳相對(duì)的手臂擺動(dòng)來(lái)彌補(bǔ)這個(gè)角動(dòng)量。然后人走出了下一步，此時(shí)情況變?yōu)橛夷_踩在地面上而左腳向前，此時(shí)的角動(dòng)量完全與剛剛相反，如果手臂沒(méi)有擺動(dòng)，那么只有全由腳底提供這個(gè)為了使人能夠保持直線行走的力矩，腳底上有一個(gè)使人體能夠保持不轉(zhuǎn)動(dòng)的力矩，而且這個(gè)力矩隨著人體的前進(jìn)不斷的由逆時(shí)針轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r(shí)針，又由順時(shí)針轉(zhuǎn)變?yōu)槟鏁r(shí)針。如果人的手臂沒(méi)有擺動(dòng)，這就是獲得外力矩的唯一方式。這個(gè)腳底不斷旋轉(zhuǎn)的感覺(jué)想想就很難受，腳底上的肌肉一定很奇怪，為了避免這樣的事情，走動(dòng)時(shí)擺臂就成了人走路時(shí)很自然的選擇了。走路是生活中很常見(jiàn)的現(xiàn)象，但是也蘊(yùn)含著這樣的科學(xué)道理，而且有了簡(jiǎn)單明了的理論可以使人理解，物理真是一門有用的學(xué)科。

天體的運(yùn)動(dòng)是一個(gè)人們長(zhǎng)久以來(lái)不斷投入精力研究的問(wèn)題，星空中的一切對(duì)向往自由的人有著莫大的吸引。以地球繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)為例。地球受到的引力F和它相對(duì)太陽(yáng)的矢徑r方向相反，因此力矩為0。如果忽略其他星球?qū)Φ厍虻淖饔?，那么地球繞太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)是角動(dòng)量守恒的。地球?yàn)槭裁床粫?huì)掉落到太陽(yáng)中，學(xué)過(guò)圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候我們可以給出一個(gè)解釋，那就是引力提供了向心力，改變了地球的運(yùn)動(dòng)方向，目前處于一個(gè)平衡的狀態(tài)，不會(huì)落到太陽(yáng)中，現(xiàn)在我們有了一個(gè)新的方式解釋，那就是地球、太陽(yáng)構(gòu)成了一個(gè)角動(dòng)量守恒的系統(tǒng)，初始的角動(dòng)量L存在的情況下，以后地球保持著太陽(yáng)系形成之初的初始角動(dòng)量大小，如果地球落入太陽(yáng)，那么地球的角動(dòng)量將變?yōu)?，這樣是違背了角動(dòng)量守恒定律的，因此地球不會(huì)落入太陽(yáng)中。

賽場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)健兒的姿態(tài)是優(yōu)美的，在花樣滑冰、跳水、體操等運(yùn)動(dòng)中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象，那就是做一些旋轉(zhuǎn)的動(dòng)作的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)員們總是把身體蜷縮起來(lái)，這是為什么呢？L=Iω，當(dāng)人體展開(kāi)的時(shí)候，質(zhì)量分布離轉(zhuǎn)動(dòng)的軸更遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I更大；當(dāng)身體蜷縮起來(lái)的時(shí)候，質(zhì)量更加接近轉(zhuǎn)動(dòng)的軸，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I更小。角動(dòng)量不變的情況下，轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度會(huì)增加?？梢员ＷC一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速，提高觀賞性。而為了能夠穩(wěn)定的停止下來(lái)的時(shí)候，就會(huì)打開(kāi)身體，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增大，角速度變慢，運(yùn)動(dòng)員們更容易使自己能夠穩(wěn)定的停下來(lái)。

角動(dòng)量是一個(gè)生活中常見(jiàn)的物理量，角動(dòng)量守恒定律更是一個(gè)十分重要的基礎(chǔ)理論。生活中常見(jiàn)的情況中有著各種奇妙的物理知識(shí)，能夠發(fā)現(xiàn)它們、理解它們，可以獲得無(wú)窮的樂(lè)趣。歷史上那些偉大的物理學(xué)家們，他們可能也有著類似的心理。這一刻，感覺(jué)到自己和課本上的物理學(xué)家們有了交流，對(duì)物理有了更高的熱情。

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