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关于陀螺为什么不倒,有一个疑问

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本人物理学理学学士。
【简述】
陀螺在初始的下倾过程中,X轴方向的角动量为什么不守恒?
【约定】
建立固定的坐标系,令:
重力方向为Z轴负方向;
陀螺初始位置为Z轴向X轴倾斜45°角,自转与进动都为逆时针(在Z轴有正的分量)。
陀螺有一端在原点稳定的支撑。另一端在初始时由细绳吊着。陀螺只有稳定的角动量,无其他运动。
若需定量讨论,以下物理量为1:重力、重力臂、重力矩;陀螺的转动惯量、初始角速度、初始角动量。
【理论】
t=0时,剪断绳子。
陀螺不会立刻绕Z轴进动,否则Z轴角动量不守恒。因为Z轴角动量除了陀螺自转角动量外,还有进动的角动量。
这时候陀螺的重心会降低,也就是确实会向下倾倒一个角度。自转角动量在Z轴上的减少,也由进动角动量补充上去。这样才开始了进动。
在这个过程中,因为重力矩是Y方向的,所以陀螺Z轴方向的角动量始终守恒。Y轴方向角动量的变化率等于重力矩。
——问题来了,既然陀螺有一个短暂的向下倾倒,X方向的角动量就会变大。而没有X方向的力矩,X方向的角动量为什么不守恒?——
在经过一段时间后,根据角动量定理,重力矩等于角动量的导数。稳定的进动。
【实验】
为此,我做了实验,可惜这里没法放视频。
陀螺确实有一个短暂的纯下倾动作,(这个短暂的过程就只有向下,没有进动,)然后震荡着进动。
然后可能由于阻力影响,最终稳定的进动(重力矩等于角动量的变化量)。
——问题来了,在初始下倾的一瞬间,X方向的角动量为什么不守恒?——
想了很久,也找人讨论了,但一直没搞明白。如果要保证初始一瞬间的X方向角动量守恒,那么陀螺初始的时候,角动量就要向Y轴偏转,但实验是向Z轴负方向偏转。
PS:不要简单的说角动量定理解释了陀螺为什么不倒,如果陀螺倒了,陀螺绕Y轴的倾倒,也是终于Y轴重力矩的。并且实验也证明了陀螺不是一开始就瞬间拥有进动速率的。它确实有一个很快下倾的过程。
PPS:会不会在下倾得过程中,角动量变小了呢?我也尝试把初始的倾角改为1°,用一个力把它从1°拉到89°,它的自转角速度并没有变小。
PPPS:虽然不能做实验,但是提供一篇参考文献吧:
南京大学 梁昆森 旋转的陀螺为什么不倒,第二页的截图:


IP属地:河南1楼2023-10-23 02:04回复
    实验链接:网盘链接
    提取码:1111


    IP属地:河南来自iPhone客户端2楼2023-10-23 10:12
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      刚去物理吧发帖问了,原来是漏算了进动对x轴负方向有一个角动量,漏算了。(只算了进动对Z轴的角动量。)


      IP属地:河南来自iPhone客户端3楼2023-10-24 00:46
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        肯动手实验就值得点赞


        IP属地:北京来自Android客户端4楼2023-10-24 08:41
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          当自转渐慢,进动就会加快,伴随着缓缓的伏倒过程,轴跟支座的摩擦愈小,这变化过程就愈持久。


          IP属地:中国香港5楼2024-04-18 01:55
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            我觉得,应该把「倒」理解为〖偏转〗。
            重力不会令陀螺偏转,「倒」,只因质心跟支点不重合了,
            就相当于,你站在凳子边上,一个不好就连人带凳摔倒在地那样。


            IP属地:中国香港6楼2024-04-20 00:03
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              「重」力是无穷无尽的持续着,而陀螺的每个支承点都有点摩擦损耗,
              如果陀螺的能量只是一次性的赋予,则陀螺应该是盘旋式的倒下才对。


              IP属地:中国香港7楼2024-06-30 01:35
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                恒速直线运动→恒速圆周运动→恒速茏状运动
                只是惯性的不同形态,在理想场景中,这样的转换只改变施受双方的运动方向,不会有能量的损耗或迁移,
                飞轮为甚么可以成为贮能器件,就是因为 向心力并不破坏原本属于直线运动的惯性,进动,不过是在另一维度多加一道向心力。


                IP属地:中国香港8楼2024-06-30 01:57
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