邵懷華 卓玉霖

(六盤水師范學(xué)院電氣工程學(xué)院，貴州 六盤水 553000)

在回轉(zhuǎn)效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)中，為了突出進(jìn)動這一“反抗”重力的神奇力學(xué)現(xiàn)象，往往通過給陀螺儀一個(gè)較大的自轉(zhuǎn)角動量等方式減小其章動，但是這樣會產(chǎn)生豎直方向的進(jìn)動角動量從何而來的疑問。圖1所示為回轉(zhuǎn)效應(yīng)演示儀簡化模型，L為自轉(zhuǎn)角動量，R為回轉(zhuǎn)半徑，O為支點(diǎn)。為了討論方便，假設(shè)陀螺質(zhì)量為m，質(zhì)心在懸空端P點(diǎn)。

圖1 回轉(zhuǎn)效應(yīng)演示儀簡化模型示意圖

均勻進(jìn)動時(shí)，由力學(xué)基本知識可知

(1)

1 陀螺動力學(xué)分析

圖2 陀螺轉(zhuǎn)動的矢量分析圖(a) 縱向轉(zhuǎn)動; (b) 橫向轉(zhuǎn)動

令ωp和ωn分別表示進(jìn)動和章動角速度的大小。分析圖2(a)，可得如下方程組

(2)

式中ax表示陀螺在慣性力作用下水平運(yùn)動加速度的大小。上式可解得關(guān)于ωp和ωn的微分方程

(3)

同樣，分析圖2(b)可得

(4)

解得

(5)

聯(lián)立式(3)、式(5)，結(jié)合初始條件ωp(0)=0,ωn(0)=0可得進(jìn)動和章動角速度大小隨時(shí)間的變化關(guān)系

(6)

進(jìn)而對兩個(gè)角速度分別求積分，可以得到進(jìn)動角θ和章動角α隨時(shí)間的變化關(guān)系，結(jié)合初始條件θ(0)=0,α(0)=0可得

(7)

圖3 理想情況下陀螺儀懸空端P的空間軌跡

此即理想情況下，關(guān)于回轉(zhuǎn)儀懸空端P運(yùn)動行為的一個(gè)較為精確的解。圖3是對理想情況下回轉(zhuǎn)儀懸空端P軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果?？梢钥闯鏊结尫藕笸勇莶⒉皇亲龇€(wěn)定的進(jìn)動，而是以其進(jìn)動角速度和章動角速度均周期性振蕩變化的規(guī)律“抖動”前進(jìn)。

但在實(shí)際情況中，由于摩擦的存在，式(6)、式(7)中的振蕩項(xiàng)將很快衰減為零。去除振蕩項(xiàng)之后的穩(wěn)定值為

(8)

下面對此做出證明：

在章動很小的情況下，

(9)

穩(wěn)定進(jìn)動角動量的大小為

(10)

可見二者大小相等，但方向相反。

因此，實(shí)際情況應(yīng)該是這樣的，水平釋放后陀螺開始抖動著前進(jìn)，穩(wěn)定后其懸空端會稍微向下傾斜，使自轉(zhuǎn)角動量L有一個(gè)向下的分量抵消了進(jìn)動角動量，從而保證了豎直方向角動量守恒。

2 阻尼條件下的動力學(xué)分析

為了弄清實(shí)際陀螺進(jìn)動從開始到穩(wěn)定的過程，我們考慮有阻尼的情況，其主要來自于陀螺轉(zhuǎn)動時(shí)與支架的摩擦。類似于運(yùn)動物體在空氣中運(yùn)動受到的阻力在速率不高時(shí)為f=-k，k為阻力系數(shù)，轉(zhuǎn)動中摩擦產(chǎn)生阻尼力矩，大小與角速度成正比，方向相反。即，Mr=-krω；kr為轉(zhuǎn)動阻尼系數(shù)。然而，一般情況下進(jìn)動阻尼遠(yuǎn)小于章動阻尼。忽略進(jìn)動阻尼，只考慮章動阻尼后，式(2)、式(3)保持不變，但式(4)改寫為

(4a)

式中kn為章動阻尼系數(shù)。化簡可得

(5a)

同樣，上式聯(lián)立式(3)，結(jié)合初始條件可得有章動阻尼時(shí)的進(jìn)動角速度ωp和章動角速度ωn的大小

(11)

這即是引入章動阻尼時(shí)，關(guān)于陀螺運(yùn)動的一個(gè)較為精確的解。圖4是考慮章動阻尼時(shí)P點(diǎn)空間軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果。如圖4所示，為保證系統(tǒng)豎直方向的角動量守恒(恒為零)，從水平位置P(t=0)釋放后陀螺開始抖動著進(jìn)動，穩(wěn)定后其懸空端會稍微向下傾斜至P′，使其自轉(zhuǎn)角動量L有一個(gè)向下的分量正好抵消進(jìn)動角動量。

圖4 章動阻尼下陀螺儀懸空端P點(diǎn)空間軌跡

3 全阻尼情況討論

實(shí)際上摩擦也會產(chǎn)生進(jìn)動阻尼，并且進(jìn)動阻尼力矩沿豎直方向，使系統(tǒng)在豎直方向受到的合力矩不再為零，該方向的角動量也不再守恒。我們也對全阻尼情況作了計(jì)算，此時(shí)進(jìn)動角θ隨時(shí)間的變化關(guān)系為

(14)

式中kn,kp分別為章動和進(jìn)動阻尼系數(shù)。章動角α隨時(shí)間的變化關(guān)系

(15)

圖5所示為全阻尼下陀螺儀懸空端P的軌跡的數(shù)值模擬結(jié)果。可以看出，摩擦逐漸消耗系統(tǒng)的能量，陀螺最終會“屈服”于重力，慢慢掉下去。只是一般演示實(shí)驗(yàn)中，由于重力力矩遠(yuǎn)大于阻尼力矩，幾個(gè)進(jìn)動周期內(nèi)陀螺下落不明顯。

圖5 全阻尼情況下陀螺儀懸空端P的空間軌跡

4 結(jié)語

本文通過解析計(jì)算和數(shù)值模擬，系統(tǒng)研究了回轉(zhuǎn)效應(yīng)中的陀螺運(yùn)動規(guī)律。首先考慮理想情況，發(fā)現(xiàn)水平釋放后陀螺并不是作穩(wěn)定的進(jìn)動，而是以進(jìn)動和章動角速度均周期性變化的規(guī)律“抖動”前進(jìn)。實(shí)際情況，由于摩擦，抖動會逐漸消失，穩(wěn)定后陀螺下傾，使自轉(zhuǎn)角動量有一個(gè)向下的分量抵消了進(jìn)動角動量，從而保證了豎直方向角動量恒為零，解釋了進(jìn)動演示實(shí)驗(yàn)中由于進(jìn)動角動量出現(xiàn)導(dǎo)致的看似豎直方向上的角動量“不守恒”問題。進(jìn)而為了弄清陀螺從水平釋放達(dá)到穩(wěn)定的動力學(xué)過程，我們逐步在模型中引入章動和進(jìn)動阻尼，并詳細(xì)分析了陀螺在阻尼條件下的運(yùn)動行為。