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[理论探讨] 与陀螺对话

本主题由 睦睦 于 2008-4-27 10:47 推荐主题

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紫藤萝兰,我始终认为,外力矩作用以后,进动并不马上产生,当然外力矩撤去以后,进动也不马上消失。运动都是具有惯性的。赖柴定理只是说外力矩作用以后,角动量的变化率马上产生,这和进动马上产生不是一回事。

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夏梦:
你、我心中都有一个信念,就是定性说明陀螺现象必须考虑惯性的作用。
在“规则进动”的情况下,我想雪鹰说的是对的。加上外力矩时,进动马上发生,撤掉外力矩,进动马上停止,这中间已经包含惯性的因素了。也正是“赖柴定理”所反映的。落体陀螺不会有新的结果。
我给你一个单质点的进动模型,也许可以从中悟出一点什么来:
记得前几天讨论过的问题吗?“模型简单题难做”。在水平方向匀强磁场中的带电物体,在重力作用下将做摆线运动 ———  一个水平进动的圆运动。
如果忽略重力的作用,把重力作用换为竖直方向的电场力,不会影响讨论的结果。
如果把磁场弯曲成辐射状,且把装置放入圆筒。带电粒子将沿筒壁做摆线运动。这多象一个进动的陀螺呀。
如果撤掉电场,粒子将
马上
做匀速圆周运动。如果加上电场,粒子
马上
产生进动。
雪鹰论点的软肋在“非规则进动”的情况,“破坏性章动”中表现得尤为明显—— 我猜想,
下落的陀螺在撤掉外力矩后,必然边下落,边产生水平方向进动
如果这一点得到大家的认可,那就是说,外力矩不完全是产生进动的原因。我们的研究也就有了一个新的开端。
我手头没有任何资料,所有的收获都来自你们的发言,不对之处请多指教

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但是,从陀螺受到外力矩为止,到规则进动的过程中,必然要经过章动这一步骤,而且如果没有摩擦力,章动将不会减弱,以等幅继续下去,规则进动就永远不会到来。
我们不能回避章动,它是陀螺一开始受到外力矩时的必然阶段,正是因为这个阶段,才保证了角动量没有突变。
既然承认了章动,那就必须承认陀螺一开始是“屈服”于外力矩的作用的,其后才产生了进动。
同理,如果先前陀螺在规则进动,当外力矩突然消失后,进动并不马上停止,得有个过程,才会停止。

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两位真是下了功夫了……谢谢……这令我很感动
夏梦网友,我们现在讨论的头绪太多,我建议稍加整理
就从已知Q、J、ω,预测陀螺运动开始,逐步深入。现在你尽展自己所学,来完成这个课题
紫藤萝兰,所谓破坏性章动,就不是章动了。章动是必然的过程,然而也是有限的过程,他最终必须消失,陀螺进入规则进动。这才是我们应该讨论的内容。即使这个内容,在高级陀螺理论中,章动也最终退化为自激高频低幅震荡,并将长期持续。也就是说,所谓的规则进动,都伴随自转轴高频震荡。
因此,如果我们只着眼于“章动”,我们的讨论将止步不前。
讨论一个缓慢自转,并且正在倒下的陀螺,意义更加并不明显。
我这里有3个版本的《陀螺力学》电子版,我想你们也许有兴趣。你们手中《理论力学》的有关内容称为初级陀螺理论,《陀螺力学》中的专业内容,称为陀螺高级理论,里面也许有很多你们感兴趣的东西。
如果需要,请留下你们的邮箱,我传给你们,只是不知道你们能否打开
尽管《陀螺力学》中的内容极为丰富,但是作者还是犯了低级的概念性错误,也就是前面我和托尼讨论的内容。而且,更为重要的是,我认为这是在更加精确地修订“历法”,也就是企图更加精确地描述陀螺运动(天体运动),而不是解释原因。
请体会我这段话,我说得没有错
在远古时代,人们朴素地认为,天圆地方,看到日月星辰有规律地运转,认为天地本来就如此,这没什么好奇怪。他们不知道太阳为什么中午还在中天,晚上却跑到了西山后,夜晚不见了踪影,没办法只能认为天神背着他在跑,因此产生了美丽的神话
尽管如此,人们却创造了精准的历法,这个历法可以精确地描述太阳的运动,甚至可以预言明年乃至若干年后的某一天的早晨,太阳会从什么方位升起。
直到有一天一位希腊先哲告诉人们,太阳之所以绕着黄道运转,是因为我们脚下踩着的大地是个圆球,这个圆球在自转,是我们自己在自西向东旋转,所以看上去日月星辰才都围着我们转。
人们恍然大悟,原来如此!
从古至今,人们眼睁睁看着进动的陀螺,该倒不倒,却水平公转,人们不知道他为什么会这样,只能认为他本来就是如此,也不必奇怪
尽管如此,人们却创建了一整套精确的理论,来描述陀螺的运动,应用这个理论dL=Mdt,甚至可以精确地预言陀螺公转的速度。
然而,他为什么会这样?人们离恍然大悟还差得很远……

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雪鹰论点的软肋在“非规则进动”的情况,“破坏性章动”中表现得尤为明显—— 我猜想,
下落的陀螺在撤掉外力矩后,必然边下落,边产生水平方向进动
这个猜想是错误的,就和夏梦一样
在失去外力矩,自由下落的过程中,陀螺自转轴就是神奇地指向一个方向,不再有任何偏转。你们不信,我也没办法……
如果你的“下落”的意思是“下倒”,那又当别论
不然你们一起来我这里吧……或者自己去买一个陀螺,亲自动手
再有,我前面打出了反击的第一枪,你为什么不接招?

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二位:我已经有了一个非常非常美妙的想法,可以明晰地解决上面的所有问题
如果我的想法正确,我就可以宣布:外力矩不是进动的原因
而且可以很简单地预测破坏性章动陀螺在突然失去外力矩后的运动
这个陀螺将在原来的方向做匀速圆周运动,并同时在水平方向进动,它的轨迹如同绕地球运行的人造卫星一样。
而且,这个运动轨迹一个高中生也可以算出来。
我希望二位和所有关心陀螺的朋友帮助我验证。
现在的问题是:
在破坏性章动下的陀螺,如果突然失去外力矩,它是否在保持原来方向圆周运动的同时,产生水平方向的进动?
下一篇贴子,我将又带回可爱的燕子,对你,更是对我自己的思维展开批判了。
十分感谢雪鹰,你能把有关的资料传给我吗?我的地址是[email]
[url=mailto:xuxuxu3706291@163.com]xuxuxu3706291@163.com[/url]
[/[/COLOR]email]

这是一个关于惯性的原始猜想
这只是一个产生于一个夜晚的美丽冲动
它使我觑见了惯性问题的一角
然而一起步就感受到了从牛顿开始的大师们的苦恼心灵,遇上了大师们探究的徘徊步痕
这个猜想将继续给我以激励,使我产生一些灵感
然而它还不能成为我们讨论的论题

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燕子:
雪鹰叔叔,你理解错了
紫藤萝兰并不同意夏梦叔叔的意见。他同意你的观点,认为自由下落的陀螺不会产生进动
紫藤萝兰的“下落”当然是“倒下”了

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邮件已发出,请查收,刘延柱的《陀螺力学》,如果打不开,请告知
在明确一遍,破坏性章动不是章动,陀螺问题中的章动,必须是又点头,又抬头。只点不抬,那不是章动
欢迎继续深入讨论

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谢谢,谢谢
我将打开看一看
另外,根据我的判断,陀螺在章动过程中,如果突然失去外力矩,将出现类似的结果
望验证,最好能否定

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如果不能解压,我再给你解压后的文件,4M多,需要pdf阅读器
陀螺在章动
过程中,如果突然失去外力矩,将出现类似的结果
这个章动是什么章动?是倒下去就不起来,还是点头-抬头的过程?
再有,比如我用的陀螺,即使如此低的自转速度,也难以观察到明显的章动过程,如果转速够快,都是一放手,就立即进入规则进动,几乎没有章动过程。失去外力矩的同时自转轴指向也立即固定
因此我认为赖柴定理绝对正确
如果使用大陀螺,做专业试验,也许会观察到明显的章动过程,可惜我从没有亲眼见过
如果是那种倒下去就不起来的“章动”,我想考察他意义不明显,现在有明显的规则进动(如我签名所示),我们都能亲眼目睹的事实不讨论,为什么要去讨论我们都没见过,甚至连定性描述都很困难的现象呢?

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留给夏梦网友的课题
从已知Q、J、ω,预测陀螺运动
,我认为从理论上讲他不可能完成
因为即使是欧拉和拉格朗日,也不能仅从这三个条件判断陀螺是否会倒下,因为经典理论需要先看到Ω,也就是在Ω
夏梦网友认为呢?
另外,如果需要,请留下你的邮箱,我将《陀螺力学》传给你,其他朋友如有需要,也请留下邮箱

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雪鹰:
邮件收到了,打不开
我所以说破坏性的章动,是因为在这个现象中当外力矩撤除时,很明显地,
旋转的陀螺
将因惯性继续前行下落。于是,
在没有外力矩的情况下
,陀螺的
角动量
必然发生变化
。你原来的说法将面临考验。
验证我所说的实验,我想可以这样,在我前贴的陀螺图中,在陀螺的转轴上反向捆绑一杆,上坠一重物,调节装置,使陀螺与重物平衡。然后按住装置使陀螺旋转,松手后,再在转轴上轻轻向下一按,看陀螺怎样运动,是否发生我说的运动
——
此时,是没有外力矩的

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我们用的教材可能不一样,各个物理量的字母不同。你给定的三个量,我认为转动惯量,自转角速度和外力矩。
如果外力矩为任意,那么是无法求解,不过如果象普通的陀螺那样只受重力,则重力矩的方向为水平方向,这样就可以求解了。
《理论力学》中对此问题已经有了详尽的答案,我今天粗看了一下,没有仔细研究,但可以肯定,陀螺的运动是完全可以预测的。最后的运动方程是用三个欧拉角的导数来表达的。

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[tr]
[td]雪映刀锋寒 于 2007-01-14 13:30 在大作中提到:[/td]
[/tr][tr]留给夏梦网友的课题
从已知Q、J、ω,预测陀螺运动
,我认为从理论上讲他不可能完成
因为即使是欧拉和拉格朗日,也不能仅从这三个条件判断陀螺是否会倒下,因为经典理论需要先看到Ω,也就是在Ω
夏梦网友认为呢?
另外,如果需要,请留下你的邮箱,我将《陀螺力学》传给你,其他朋友如有需要,也请留下邮箱[/tr]
雪映刀锋寒网友,你对陀螺的理解存在很大的误区,我渐渐地感到无法跟你讨论了。
你误解了书本上一些话的意思,并把你理解的错误之处进一步放大。比如,你认为当角速度很小的时候,规则进动就无法进行了。而实际情况是:当陀螺受到外力矩以后,由于进动的时候,会产生相应的进动角速度和进动角动量,所以进动不能突然产生,只能是一段过程,由于这个过程是动态的,所以也就是产生了来回振荡的章动。可是如果我们只研究规则进动,就是一定的自转角速度需要多大的进动角速度才能维持不倒,那么答案是:无论多小的自转角速度(就是无论陀螺自转得有多慢),都可以不倒,因为越小的自转角速度,就可以用越大的进动角速度来维持其不倒。当然我们的前提是它已经规则进动了,为了达到这一点,我们可以给陀螺施加一个“角冲量”,让它瞬间获得一个进动角速度。
陀螺的复杂性就在于陀螺进动角速度变化的时候,会有一个复杂的调整过程,这就是章动,而绝不是立即完成的。

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[tr]
[td]紫藤萝兰 于 2007-01-14 01:01 在大作中提到:[/td]
[/tr][tr]我所以说破坏性的章动,是因为在这个现象中当外力矩撤除时,很明显地,
旋转的陀螺
将因惯性继续前行下落。于是,
在没有外力矩的情况下
,陀螺的
角动量
必然发生变化
。你原来的说法将面临考验。
验证我所说的实验,我想可以这样,在我前贴的陀螺图中,在陀螺的转轴上反向捆绑一杆,上坠一重物,调节装置,使陀螺与重物平衡。然后按住装置使陀螺旋转,松手后,再在转轴上轻轻向下一按,看陀螺怎样运动,是否发生我说的运动
——
此时,是没有外力矩的
![/tr]
邮件已经再次发出,是解压后的文件,你再不能看我也没办法了
另外你贴相同的图不必每次都上传,引用就可以了

你所说的实验,就是学校的重力平衡回转仪,可能一般学校就有。个人做起来并不容易
我会尽己所能,试试看能不能完成你设计的实验,我对实验结果的预测与你截然不同,如果垂直施力,陀螺将水平偏转一下,然后转轴指向锁定

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[tr]
[td]天涯(原夏梦) 于 2007-01-14 08:08 在大作中提到:[/td]
[/tr][tr]
[td][tr]雪映刀锋寒 于 2007-01-14 13:30 在大作中提到:[/td]
[/tr][tr]留给夏梦网友的课题
从已知Q、J、ω,预测陀螺运动
,我认为从理论上讲他不可能完成
因为即使是欧拉和拉格朗日,也不能仅从这三个条件判断陀螺是否会倒下,因为经典理论需要先看到Ω,也就是在Ω
夏梦网友认为呢?
另外,如果需要,请留下你的邮箱,我将《陀螺力学》传给你,其他朋友如有需要,也请留下邮箱[/tr]
雪映刀锋寒网友,你对陀螺的理解存在很大的误区,我渐渐地感到无法跟你讨论了。
你误解了书本上一些话的意思,并把你理解的错误之处进一步放大。比如,你认为当角速度很小的时候,规则进动就无法进行了。而实际情况是:当陀螺受到外力矩以后,由于进动的时候,会产生相应的进动角速度和进动角动量,所以进动不能突然产生,只能是一段过程,由于这个过程是动态的,所以也就是产生了来回振荡的章动。可是如果我们只研究规则进动,就是一定的自转角速度需要多大的进动角速度才能维持不倒,那么答案是:无论多小的自转角速度(就是无论陀螺自转得有多慢),都可以不倒,因为越小的自转角速度,就可以用越大的进动角速度来维持其不倒。
当然我们的前提是它已经规则进动了
,为了达到这一点,我们可以给陀螺施加一个“角冲量”,让它瞬间获得一个进动角速度。
陀螺的复杂性就在于陀螺进动角速度变化的时候,会有一个复杂的调整过程,这就是章动,而绝不是立即完成的。[/tr]
也许吧,我们总说不到一起,可能出发点就不同
对于一个已经规则进动的陀螺,不要说你,任何系统学习过《理论力学》的学生都可以建立方程,求解他的运动轨迹。但是我要的不是这个
针对一个具体的陀螺,给定外力矩、自转角速度,它并不是总能进入规则进动,那是不可能的。我所要求的是根据外力矩、自转角速度、转动惯量,
来判断这个陀螺能否规则进动
,不知是不是我的语言能力有问题,使得你总是不能理解。
可以说,经典理论对此无能为力,因此我认为你不可能判断出来。
你可以就此发表意见,到底是能不能
你也完全可以发起反击,问一问我如何判断。现在可以明确地说,我可以仅凭这三个条件,就知道这个陀螺能否规则进动,也就是我知道他会不会倒,而拉格朗日不行
而你总是强调章动过程,这个过程无论是我,还是教科书,都是承认的,我从没说过不需要那个连进动代章动的调整阶段
再有,不倒依赖进动,是你的思想,因此出现自转速度无穷大的悖论。我的思想中,不倒与进动共生,不能互为依据

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燕子:你认为雪鹰的预测是正确的吗?
我:不
燕子:那你认为陀螺将怎样运动呢?
我:在轻轻按一下的情况下,陀螺将持续摇头,系统的
总角动量
不变。
在摩擦力作用下,摇头越来越轻,最终定位于某一确定的方向
燕子:哎呀,进入陀螺区,真像进了雷区,每前进一步都会遇到危险
我:是的,我也感受到了
我们还是看雪鹰的结果吧

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燕子:你看雪鹰和夏梦打起来了
我:呵呵,这是很正常的
燕子:我看他们总说不到一起
我:是啊。
是雪鹰的问题不清楚吧
燕子:雪鹰的问题是

针对一个具体的陀螺,给定外力矩、自转角速度,它并不是总能进入规则进动,那是不可能的。我所要求的是根据外力矩、自转角速度、转动惯量,来判断这个陀螺能否规则进动

我:你看,雪鹰的问题有两种理解
一种是给定外力矩,自转角速度和转动惯量,判断陀螺能否
处于
规则进动
一种是给定外力矩,自转角速度和转动惯量,判断陀螺能否
进入
规则进动
燕子:我看雪鹰的问题是第二种含义吧
我:如果是第二种含义,那么从不规则运动进入规则运动必须考虑摩擦的作用。如果没有摩擦,那陀螺将永远处于章动状态
燕子:雪鹰说的可能是“破坏性章动”的情况吧?
我:破坏性章动也是章动,是广义的章动。不要忘记,雪鹰的陀螺是一个铰点陀螺,从下端再翻上去也是章动
燕子:也许雪鹰说的是从“能抬头的章动”到“破坏性章动”的临界点吧?
我:可能
燕子:所以雪鹰还必须把他的问题更明确一下
我:是的

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先来看看“设备”,采用吊线方法使陀螺基本达到3自由度,我也只能这样了……
紫藤萝兰网友还满意吗?

来这里看这个图片的视频

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做实验真是累死了,但愿我不再做了
采用吊线方法,使陀螺自身基本无偏心,自身不产生力矩
下面这个图请几位好好看看,使用螺母作为外力矩源,当我的手托起螺母时,外力矩消失,陀螺立即停止进动

来这里看视频
,视频更加清楚

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紫藤萝兰看好了,向下轻压陀螺,陀螺立即水平偏转,然后锁定一个方向,不再变化。试了多次,结果都是如此

来这里看视频
,如果有什么不满意请告知

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燕子:雪鹰做的实验很成功
我:不错,很成功
燕子:在前一个实验中可以看出,当施加一个外力矩时,陀螺就不停地进动,而后一个实验中,似乎进动了一下就不动了
我:不,不,在后一个实验中,手一离开,不施力了,陀螺就马上停,这两个实验本质是一样的。
燕子:噢,我明白了,第二个实验是用手施力代替了重物施力
我:是这样的
燕子:这个实验证明了雪鹰先前所指出的,在能产生规则进动的情况下,施加外力矩,则马上产生进动,撤掉外力矩,则进动马上停止。
我:是的
燕子:那怎么没有出现你所说的陀螺摇头呢?
我:噢,那是因为我所说的陀螺和雪鹰做实验的陀螺不一样
雪鹰做实验的是自由陀螺,原则上说,它的支点通过质心,而我说的是这种陀螺,它的支点不通过质心
燕子:在你说的陀螺上轻轻一按,就会出现陀螺摇头了
我:这是肯定的
燕子:陀螺真是太奇妙了

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呵呵,看来我的实验还没有结束,我必须设法加长陀螺自转轴,并寻找配重了
不过可以预言,效果就如前面的实验一样,不会点头,
也不会摇头
。届时还请紫藤萝兰给个说法
夏梦网友看到试验了吗?有何感想?

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常平架回转仪

调节平衡重物的位置,当陀螺仪不转动时,杆会倾斜,当陀螺仪高速转动时,由于重力矩的方向与角动量垂直,此时杆并不倾斜,而是绕自转轴进动。
当陀螺仪进动时,
若我们加一水平力于杠杆之上,试图加速它的进动,由于该水平力力矩的作用,杠杆反而会向下倾斜

这个现象是必然的,水平施力,系统必将垂直进动,杠杆向下倾斜。但是并没有说会
点头或摇头
,如果有这个重要现象,作者会纪录的
这个实验装置和描述能过关吗?还用我再做一次吗?我可没有这个装置,要自制,那劲可就费大了……
这里是原网页

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紫藤萝兰怎么不说话?
一定要我自制一个“常平架回转仪”吗?

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几个录像我都看了,虽然过渡过程不明显,好象一受外力矩,马上就规则进动了,实际上是因为这个过程比较短,看不出来,但是还是有的。
在你的启发下,我开始反问你了:如果给你这几个量,那么如何判断陀螺的运动呢?

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