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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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未完.

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企图这个词不雅,叫做尝试吧。
期待廖老的下文

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[td]紫藤萝兰 于 2007-01-22 23:21 在大作中提到:[/td]
[/tr][tr]第一个拿来开刀的是观念是运动。
……当哥白尼太阳中心说战胜托勒密的地球中心说时,除了前者对现象的说明更简洁外,难道可以从原理说哥白尼的行星轨道表述完全正确,托勒密的本轮和均轮说完全错误吗?……[/tr]
这似乎已经上升为哲学问题
谈一下自己的看法
人类最先看到日月轮回、斗转星移,本应像其他动物一样对此不闻不问,顺其自然也就罢了。但是人类与动物的区别就在于具有智慧,具有强烈的好奇心。对不明白的事情一定要追根究底弄个明白。
实在想不明白,因此诞生了神话和宗教,认为是天神推动着天地轮回。我们的先民,世界各古老文明,关于天象变化都有许多美丽的传说,就这样人类度过了不知多少年。在此过程中,产生了多种历法来记录、描述天象变化,有些历法的精度令今人也叹为观止。
然而随着人类文明的发展,人们深知没有天神,那么对日月星辰的运行必须有一个合理解释,他们才会安心。因此出现了地心说,建立了大地是球体的概念。然而由于行星以及月球的异常行为,托勒密不得不创造出均轮本轮系统来加以描述,由于精度总是不符合要求,以至于最后的本轮多达80个。
众所周知,日心说的出现抛弃了那套复杂繁琐的托勒密系统,从而使人类对宇宙的认识发生了第二次质的飞跃。
随后人们发现,太阳也不是中心,银心也不是宇宙中心,直至今天人们也找不到宇宙中心。
那么,这是否说明以上两次认识上的质的飞跃没有意义?非也,意义重大!因为人们明白了日月为什么轮回,人们不再相信有天神,人类从蒙昧状态醒过来,这就是他的意义
如果说实际意义,那几乎是没有,没有地心说,没有日心说,照样春种秋收,人类照样繁衍生息。但是人类永远只能拜倒在天神脚下,永远蒙昧地生存,我们今天也许都要重复古人的生活。
说到陀螺,也是如此。陀螺现象太正常了,就像日月轮回,就像苹果要掉下来。我们本应该立即顺其自然,承认他的合理性,不再追究
再说,即使我们弄清了他的道理,也没有实际作用,要知道即使今天,陀螺仪的制作也是使用技术方程和经验方程,越高精尖的陀螺仪,越要依靠经验丰富的老师傅的手感(我听别人说的……)。这就是现状,什么角动量定理、什么来柴定理,一律没有用处。
然而我们仍然不依不饶,连哭带喊地要追下去,为了什么?为了明白道理!我们要知道太阳为什么会东升西落,想知道苹果为什么会掉下来,渴望知道旋转的陀螺为什么不倒下来,这就是目的,好奇心驱使我们走下去,没有别的企图

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早叫你研究一下科学思想史又不肯听,专门在这里想当然。牛顿是神父,他想那一套东西是否定上帝来着?如何解释他晚年的行为?

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老托尼,我现研究那东西哪里来得及?
你知道为什么不说?把你大脑里的珍贵资源共享一下不好吗?

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科学发展到现在,已经走到轮回道路,从爱因斯坦发明相对论开始就倾向相对主义和不可知论(或者叫主观唯心主义)了。这都是自身矛盾导致的,从实用主义开始,被实用主义否定自己,正好一个循环。详细就不说了,以前也说过的,免得人家说我罗罗嗦嗦。有一个佐证,罗马教廷为伽利略平反,其实是在现代科学理论奠基之后,想想为什么吧,不是良心发现什么的,而是有深刻根源的。
科学理论可以精确告诉你如何做会有如何的结果,但绝不会告诉你那到底是为什么,一层一层追问下去,科学家就会像尼采一样——疯了。
牛顿说陀螺因自身凝聚力自转惯性不倒,其不倒的极限在惯性产生的甩力足以抵抗外力矩作用时,两者平衡时为临界状态。

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如果承认自然界存在两种基本的运动形式,那么接下来就可以谈惯性了
牛顿第一定律奠定了牛顿力学的基础。它说道:
“一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态,除非作用在它上面的力迫使它改变这种状态。”
它首先定义了“惯性”概念
从第一定律可以看到,
惯性就是物体保持其原来运动状态的性质
遗憾的是,牛顿把惯性建立在直进、平动的基础上。
对于转动,牛顿强调旋转物体也具有惯性,但他把旋转体的惯性归于各部分的平动惯性,他对第一定律解释道:
“抛射体如果没有空气阻力的阻碍作用或重力向下牵引,将维持射出时的运动。陀螺各部分的凝聚力不断使之偏离直线运动,如果没有空气的阻力,就不会停止旋转。行星和彗星一类较大的物体,在自由空间中没有阻力,可以在很长时间里保持其向前的和圆周的运动”
这种定义方式,以平动作为最基本的运动形式,把惯性与平动联系起来,使理论具有了更简单的信念基础。但如果我们认为自然界存在着两种基本的运动形式,
物体同时具有两种惯性表现——平动惯性和转动惯性
,这丝毫不会与牛顿理论冲突。只是理论的信念基础变得复杂一点罢了
但这样定义惯性带来的最大好处是使人们可以“近距离”地、直接地理解转动现象,而不必时时经历痛苦的从直进到旋转的观念的逻辑变换。
一个平动物体,在不受外力作用时,为什么保持直进?惯性使然
一个旋转物体,在不受外力作用时,这什么保持定向旋转?惯性使然
一个平动且转动的物体,在不受外力的情况下,为什么会保持其直进和定向旋转?惯性使然
具体地说,一个陀螺,为什么在不受外力时,会保持原来的转动方向不变?惯性使然
也许,两种惯性的表述更具有真理性。
1918年德国女数学家诺特(A.E.Noether,1882-1935)发表了著名的将对称性和守恒律联系在一起的定理,即诺特定律:从每一自然界的对称性可得到一守恒律;反之,每一守恒律均揭示蕴含其中的一种对称性。动量守恒与物理定律的空间平移不变性(即空间平移对称性)相关联,角动量守恒与物理定律的转动对称性相关联,能量守恒与物理定律的时间平移对称性相关联。
我们看到,在对称的角度上,诺特定律超出牛顿第一定律,使转动获得了与平动相同的信念(概念)地位

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首先谢谢斑竹加星
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[td]TonyDeng 于 2007-01-23 10:17 在大作中提到:[/td]
[/tr][tr]科学发展到现在,已经走到轮回道路,从爱因斯坦发明相对论开始就倾向相对主义和不可知论(或者叫主观唯心主义)了。这都是自身矛盾导致的,从实用主义开始,被实用主义否定自己,正好一个循环。详细就不说了,以前也说过的,免得人家说我罗罗嗦嗦。有一个佐证,罗马教廷为伽利略平反,其实是在现代科学理论奠基之后,想想为什么吧,不是良心发现什么的,而是有深刻根源的。
科学理论可以精确告诉你如何做会有如何的结果,但绝不会告诉你那到底是为什么,一层一层追问下去,科学家就会像尼采一样——疯了。
牛顿说陀螺因自身凝聚力自转惯性不倒,其不倒的极限在惯性产生的甩力足以抵抗外力矩作用时,两者平衡时为临界状态。[/tr]
有道理,尤其是对客观现象的基本认识,似乎已经走到了尽头。引力找不到,弄出个匪夷所思的时空弯曲。光速是否恒定,至今众说纷纭。微观世界更是五花八门,居然弄出24维超弦空间,嘿嘿……
尽管如此,人们仍然致力于揭示自然想象的深层次原因,因为好奇心不会满足,揭开一层是一层,即使发疯也要去做
我们本贴讨论的主题是陀螺,
惯性产生的甩力足以抵抗外力矩作用
,问题是怎么抵抗的,不弄清这个细节,恐怕永远不会安宁。
西方人不再追为什么,我们也要听他们的吗?我们必须卷缩在他们制定的框架内吗?那一条法律规定我们也不许追?
对于陀螺,牛顿、欧拉、拉格朗日等等大师谁也没说清楚,就不许我们弄清楚吗?我们提出新的见解,为什么一定要用他们的标准衡量?
换句话说,我们就不能从新建立一套更加优越的体系吗?

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在博士家园论坛,我一直在与拉普拉斯对峙,最近不知该论坛出了什么问题,上不去了
这是我的回帖,贴在这里向大家汇报一下
他一直没能制服我,我认为倒是我在迫使他步步后退

拉普拉斯 发帖时间 2007年01月22日 15时30分

前面说了,我对陀螺力学问题的了解仅限于陀螺近似理论。我的专业并非
力学,更不是陀螺力学。在校学习的时候也没有深入研究过陀螺的问题,
所以我只能在力所能及的范围内和你进行讨论。
你所提出的要求,就是要求在已知陀螺在某时刻的初状态,就可以求解出陀螺在其后的
每一个时刻的状态,包括陀螺瞬时的三个欧拉角,对自转轴的角速度,自转轴的速度等等。
这个要求,不是陀螺近似理论能解决的,超出了我的所学,对此我无能为力,我不知道目前最前沿的陀螺理论是否可以达到你的要求,你可以去查相关的资料,去学习对于陀螺的最深入的讨论,毫无疑问,这必然涉及到一些数学工具,微分方程或者偏微分方程是肯定少不了的,我印象中见过研究陀螺章动的,好像用到了分析力学,对一组微分方程展开讨论,当时看了几眼就很害怕,放过去了...
不要老在dL=Mdt上钻牛角尖,这只是个高度简化的近似理论。
关于你用牛顿定律来研究陀螺的进展情况我询问过多次,你一直避而不谈,不可能是没看见吧,那么一定是毫无进展,意料之中,
从18世纪到现在,陀螺号称“数学水妖”,无数大师都花费了大量的精力去研究,陀螺始终是个难题,想超越这些巨人谈何容易呢?
若想超越巨人,只有先爬到巨人的肩膀上站起来,就像牛顿。
所以,我想,你还是先花些精力去把前人的理论学精通,然后再设法将它转化成牛顿定律的方式来表达,那么你的愿望也就完成了。也许,当你吃透了以后,你就不想作这件事了。
如果有什么心得,可以贴出来交流,我对此还有很有兴趣的。
另外,有时间的话,我也会去充电,我前段时间把学生时代所有的经典力学相关的书都找出来查了一下,包括大学物理,普通力学,理论力学,但是它们涉及陀螺的章节都只谈到了近似理论。大概只有专门研究陀螺的书籍才会作更深入的讨论。

雪鹰 发帖时间 2007年01月22日 16时16分

谢谢拉普拉斯对陀螺的兴趣,得知你整天在忙,生活很充实,好事情啊,真为你高兴
我这里有《陀螺力学》电子版,这应该是研究陀螺的权威著作了。纵观全书,陀螺原理都是以dL=Mdt为基础,几百年来,这个基本原理没有变化
说句大话,我不是想站在巨人的肩头,而是要从他们的脚下开始走。欧拉动力学方程直接建立在已经规则进动的陀螺之上,直接以此为基础展开分析,而不管陀螺为什么会规则进动。更直接地说,他描述的是陀螺规则进动后的规律。拉格朗日也是如此
因此,他们的理论都无法讨论低速转动的陀螺,因为此时陀螺不能作规则进动,他们的理论就都没用了,包括角动量定理!
我认为,他们从一开始就走错了路,应该追查力矩对旋转陀螺的作用,而他们却撇开力矩,直接讨论规则进动,由此反推陀螺力矩。这是舍本逐末,试问,没有外力矩,哪里来的规则进动?
所以我认为,经典刚体转动理论体系,就是一部描绘天体运行的古代历法,只能勉强描述天体东升西落的规律,根本就不知道太阳东升西落的原因。对陀螺运动根源没有彻底追查,致使存在刚体悬案,而不能彻底解决。
嘿嘿,赞同还是反对?
关于我的思路,大的框架已经完成,你也承认这有可能从另一个角度解释陀螺现象,现在遇到了非线性微分方程,只要解出来,就能知道某个陀螺,在外力矩和自转角速度保持什么关系时,他就能规则进动(不倒)。我实在是有心无力,因此止步不前已经很久了。
怎么样?帮帮我吧,简单的非线性微分方程,对你来说只是小菜

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给廖老的建议:章动太复杂了,能否先从简单问题入手,推导规则进动的角速度公式?
4. 规则进动
欧拉角的实际重要性在于,有许多力学系统,其刚体的运动学方程式中,章动角等于或近似于常数,且进动角速度和自转角速度等于或近似于常数,这种运动称为规则进动。用欧拉角描述规则进动十分方便。
紫藤萝蓝本已破网而出,看样子又要钻回去了……请继续,期待你的下文

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以上的计算虽然只适用于章动很小的情况,因为陀螺的运动为球面运动而不是柱面更不是平面运动。虽然如此,我们把他应用于章动很大时他至少能说明陀螺并不是总能维持不倒。并且给出了,使陀螺倾倒的几个重要因素及他们的作用。所以称为估算.

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接下来考察力的概念
牛顿第一定律在定义惯性的同时,也给力下了定义——力是改变物体运动状态的原因。
但是,如同牛顿的惯性概念,力概念依然立足于平动,所以牛顿的力只是改变物体平动状态的原因
一个陀螺只受重力时,它的转动方向不变,它将自由(加速)下落。我们看到,重力只使陀螺有平动状态的变化,没有转动状态的变化
显然,只有
外部世界的某种涡旋作用
才能改变物体的转动状态,这就是力矩。
力矩是改变物体转动状态的原因

我们可以仿照牛顿第一定律,关于转动状态建立这样的基本信念:
一切物体都保持匀速转动或静止状态
,除非作用在它上面的力矩迫使它改变这种状态。
当用牛顿力来解释物体的转动变化时,我们必须研究物体上每一点的平动变化,加上无穷的外约束和内约束,把一个个点的平动变化综合起来,转化为“体”的转动状态变化
而采用力矩概念后,我们可以直接自然地研究物体的转动变化,而不必经历上述的复杂的转化过程
——这正是刚体力学带给我们的——实际上,以上我们所做的只不过是观念的变化,但它将有利于我们对陀螺现象的理解

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现在,可以考察陀螺的运动了
但走出下一步之前,还必须考察质点的概念,以使问题处在最简单、最纯粹的状态下,这有助于描述物体的运动,发现问题的本质
理解“质点”概念,有两个要点。一是“质”,是对研究对象的力学要求,二是“点”,是对研究对象的几何要求。
当物体的几何大小与所研究问题的空间尺寸相差甚多,在测量误差之外时,我们就可以把物体抽象为一个点,点模型将使问题变得简单。
至于“质”,中学教材认为就是质量,有质量的点。而我认为,“质”应该理解为研究对象的力学属性,这只能是惯性。
“质点”,就是大小可以忽略的有惯(量)性的点物体。
根据上面的讨论,这个质点,既有平动惯性,又有转动惯性,即这样的点在不受外力作用时,既保持平动运动(大小方向)不变,又保持保持转动(大小方向)不变
由于一切物体都同时具有平动运动和转动运动,所以上面的模型是最合理的。当物体的转动惯量很大,且外力很大,外力矩很小时,外力矩引起的转动变化可以忽略,此时的质点就可以当成平动质点,变为通常意义下的质点了。
我在先前的帖子中,曾提出一个问题:一条极长的绳子,一端系在太阳上,一端在地球轨道上,系一个陀螺,这个陀螺能不能看成质点呢?
显然,这只陀螺是可以看成质点的,而且这只陀螺既有平动惯性,又有转动惯性
在太阳上的观察者看这只陀螺,在对陀螺施力时,忽然发现这只陀螺出现了匪夷所思的运动,他该如何解释呢?

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好,很深刻,请继续……最好把小燕子请回来……
另:请教比斑竹并诸位朋友,怎么在K12建立自己的网页?上传资料?
我已经将陀螺问题集中了起来,制成了powerpoint文稿,准备上传,方便各位观看,有视频、动画、插图、文字等
谁能告诉我?谢谢

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个人专辑已经创建完毕……
讨论陀螺这么久了,说句心里话,诸位对陀螺现象思索的深度令我大开眼界,我没有想到这个简单现象竟然有如此多的内涵,个人的力量毕竟有限啊,并且逐步暴露出我基本功的欠缺,惭愧……
廖老将陀螺上质点的运动与电学中的电子运动联系在一起,看起来旋转的质点和旋转的电子或许遵守者共同的规律,解决一个就可以连带解决另一个……可惜我对电学已经极其陌生
天涯夏梦在不知情的情况下,居然几天之内得出了与教科书相同的结论,可见基本功之扎实,令人佩服
紫藤萝兰好像要从一个全新的角度理解陀螺,更是大胆的尝试,继续走下去,也许会进入一片新天地?
老托尼目光深远,起点颇高,经常令我仰视
老武偶尔刺出一剑,颇见功底
余不赘述,陀螺问题是绝对偏冷,我敢说诸位以前从没有这样思考过陀螺,而且此问题又是著名的历史难题,因此我们谁都有可能出错。也许我们正在前人走过的路上,即便如此,我认为,讨论还是具有一定意义
目前我们不能统一思想,但是我想到今天,我们应该有一个共识,那就是尽管已经有了根基深厚、趋近完美的经典刚体转动理论,我们仍然对陀螺现象迷惑不解,至少我是如此。
然而博士家园论坛的网友们却一致否认,他们认为“陀螺不倒问题”已经由角动量定理、欧拉动力学方程、拉格朗日分析力学等理论圆满解决
如果认同陀螺还有谜团,好奇心就会驱使我们一直走下去,直到能够理解为止
如果认为陀螺已经彻底解决,那没什么好说的,兴趣将立即消失,但是,真的解决了吗?
看看新华网友对陀螺的认识,他们可不是文盲,都受过正规教育(什么程度就不知道了)
以出场时间为序
1、1234ccdd:地球引力不足以将飞行的子弹吸下来,转动的陀螺也一样吸不下来
2、赵丰军(xjcjzfj):这是陀螺在自转的过程中,改变了每一个物质分子环境的光子能量密度,破坏了原来的万有引力的方向
3、昆岂:惯性定律
4、愚公在发展:静电起电机原理,只是动态感应带电平衡原理。
5、小茴香:因为公转,陀螺不知道该往哪边倒
6、耀子:复旋力各存,万物由此生!
7、地平线***:不就是个动量守恒吗?
8、知易子:六维时空论,符合阴阳对立平衡原理
9、俺想比猪还蠢咋办:在哪个方向,都无法完成倾倒过程,就又换位到其它方向.不断重复上述过程所以不倒.
10、……

诸位,这到底是什么原因造成的……
还有更多……更有一位留美硕士(?),开口闭口旋转系、非惯性系、惯性系,说的有根有据,硬说陀螺在南北半球进动方向相反……
诸位都系统学习过物理理论,也难免站在讲台上讲授物理课程,你们的学生们知道他们眼前触手可及的陀螺为什么不倒下吗?我们的老师告诉我们了吗?

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我正在考虑如何用拉格朗日方程来解决问题。
估计可能会得到一些有用的结果。

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[td]雪映刀锋寒 于 2007-01-24 09:50 在大作中提到:[/td]
[/tr][tr]首先谢谢斑竹加星
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[td]TonyDeng 于 2007-01-23 10:17 在大作中提到:[/td]
[/tr][tr]科学发展到现在,已经走到轮回道路,从爱因斯坦发明相对论开始就倾向相对主义和不可知论(或者叫主观唯心主义)了。这都是自身矛盾导致的,从实用主义开始,被实用主义否定自己,正好一个循环。详细就不说了,以前也说过的,免得人家说我罗罗嗦嗦。有一个佐证,罗马教廷为伽利略平反,其实是在现代科学理论奠基之后,想想为什么吧,不是良心发现什么的,而是有深刻根源的。
科学理论可以精确告诉你如何做会有如何的结果,但绝不会告诉你那到底是为什么,一层一层追问下去,科学家就会像尼采一样——疯了。
牛顿说陀螺因自身凝聚力自转惯性不倒,其不倒的极限在惯性产生的甩力足以抵抗外力矩作用时,两者平衡时为临界状态。[/tr]
有道理,尤其是对客观现象的基本认识,似乎已经走到了尽头。引力找不到,弄出个匪夷所思的时空弯曲。光速是否恒定,至今众说纷纭。微观世界更是五花八门,居然弄出24维超弦空间,嘿嘿……
尽管如此,人们仍然致力于揭示自然想象的深层次原因,因为好奇心不会满足,揭开一层是一层,即使发疯也要去做
我们本贴讨论的主题是陀螺,
惯性产生的甩力足以抵抗外力矩作用
,问题是怎么抵抗的,不弄清这个细节,恐怕永远不会安宁。
西方人不再追为什么,我们也要听他们的吗?我们必须卷缩在他们制定的框架内吗?那一条法律规定我们也不许追?
对于陀螺,牛顿、欧拉、拉格朗日等等大师谁也没说清楚,就不许我们弄清楚吗?我们提出新的见解,为什么一定要用他们的标准衡量?
换句话说,我们就不能从新建立一套更加优越的体系吗?[/tr]
物体绕中心作匀速圆周运动,就是只受力但不会脱离,同样,陀螺受外力作用不倒也是因为自身在旋转运动。也就是说,在单受一个力的情况下不会改变运动状态是可能的。
所有科学,都有其公理基础,整个科学体系建立在这个基础上,当问题追究到公理级别,一旦无法解释,整个体系就会倒塌,因此,并非什么问题都能用原来的体系来解释,跳出框框未必不是好事。这种事在科学史上已经发生过,典型如牛顿的理论体系被相对论突破,甚至量子理论的出现,都是如此。
不是说你追求解释不对,而是在我看来,这种追求已经接近极限,对章动的解释,牛顿也困惑不已。(记得我专门给你发的那个古希腊天文预测仪器的贴子吗?那个东西就连星体的章动周期也考虑在内,神奇之处在这里,就是想让你看看这点。)
你当然可以建立一套更加优越的体系,但很可能这个体系会在根本性上修改原来的体系,而你却试图(一直声称)在原来体系的基础上寻求解答。
其实你对这个问题研究了这么久,不妨先建立一套可以多方面研究的模型,最好的办法是用计算机建模,用最基础的东西把陀螺转起来,看它会不会进动,这个时候你要从任何角度来试探原因都可以了。

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谢谢托尼网友的评价,个人哪里有这个本事,我不是一直在寻求支援吗?
你为什么不肯对我的思路给予点评?到底是对是错?
已经做好了,
请来看看

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一些拉丁字母上不来,只好另来一次了

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下面,我们来详细考察质点受力后的运动变化情况
(以下讨论中使用到力和力矩概念时,与现行物理教材略有不同,望体认)
一个质点如果不受力的作用,由于惯性,它将保持它的运动状态不变——(平)动者恒动,(旋)转者恒转
一个质点如果受到(平动)力的作用(非力矩作用),它将保持转动状态不变,平动状态马上变化。

质点将产生一个加速度a,使描述其平动状态的速度v发生变化。根据牛顿第二定律,F=ma,这个加速度的方向由外力方向决定,与外力方向相同;加速度的大小与外力F的大小成正比,与其惯性大小m成反比。
分两种情况讨论:
如果外力方向与运动方向相同
,加速度方向与速度方向相同,此时速度的方向不变,只有速度的大小变化,质点做变速直线运动。从动量角度看,将发生动量大小的变化;从能量的角度来看,外力做功,将产生平动动能的变化。
如果外力方向与运动方向垂直
(也称为向心力),加速度方向与运动方向垂直(也称为向心加速度),此时速度的大小不变,只有速度的方向改变。从动量角度看,将发生动量方向的变化;从能量的角度来看,外力不做功,质点的动能不变
质点受到任意任意方向的外力时,我们可以将力分解为沿运动方向的力和垂直运动方向的力,质点同时发生两个方面的运动变化
以上推论都是基于牛顿力学得出的。
如果在失重状态下,遇到一个没有学过牛顿力学,深受传统影响影响的古人,力产生运动的认识深深印在他的脑子里,现在向他提出下面的问题:
平抛出去的石头,如果受到一个竖直向下拉力的作用,石头将怎样运动?他可能会回答,石头将沿力的方向掉下来
我们将石头的平抛运动轨迹演示给他看,并问他产生这种运动的原因,他将如何回答?——他遇上大麻烦了!
而我们则可以依据牛顿模式,清晰地告诉他,石头在水平方向不受力的作用,由于石头的惯性,它将保持它在这个方向的速度不变,而在竖直方向上,由于受到力的作用,产生竖直方向的速度和速度变化,它将做曲线运动……我们甚至还能依据有关的规律,具体描述石头的运动轨迹轨迹
如果在地球上,以第一宇宙速度水平抛出石头,石头将绕地球做匀速圆周运动,问古人,
石头为什么不掉下来
?他将瞠目结舌。
而我们则可以根据牛顿模式告诉他,由于石头在前进方向不受力,由于惯性,它将保持其速度大小不变,由于石头只受到垂直运动方向的力,产生向心加速度,所以它只改变运动的方向,石头将做匀速圆周运动

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现在要问,一只陀螺在受到与转动方向垂直的外力矩作用时,它将怎样运动?
——这就是上面我们讨论的焦点,陀螺进动不倒之谜。
刚体力学家只描述发生了什么,而不讲产生这种“发生”的原因
深受平动动力学影响的人,将把目光投向质点构成陀螺的质点,在平动质点受力运动的基础上,看陀螺整体如何不倒和进动——这是一条复杂的变换之路。而在变换之中,往往迷失了前进方向,满足于变换,忘记了探究的本意——陀螺为什么进动,为什么不倒?
一个以平动和转动两种基本运动方式为根本信念的“转动人”,如何看陀螺的进动不倒之谜呢?
在他看来,陀螺的进动和不倒是十分自然的事。
做水平匀速圆周运动的卫星,受到重力的作用,为什么不沿力的方向掉下来?
在“平动人”看来,这个问题提得好奇怪
它为什么要掉下来呢?!?!?!是啊,有什么理由说它要沿力的方向掉下来。
卫星由于惯性,在前进方向上将保持原来的速度不变,而在竖直方向上由于受到垂直运动方向的重力作用,这种作用产生了垂直运动方向的速度变化。在外力和惯性的共同作用下,它的运动方向时时变化,所以它将绕地球做圆周运动,所以它不会掉下来
转轴水平的陀螺,在受到与转轴垂直的重力矩作用时,为什么不沿力矩的方向转(倒下去)?
在“转动人”看来这个问题提得好奇怪
它为什么要倒下来呢??!?!是啊,有什么理由说它要沿力矩的方向倒下来。
在受到与转轴垂直方向的力矩作用时,陀螺由于转动惯性,将保持原来方向的旋转运动不变,而在垂直转轴方向方向力矩的作用下,将
产生垂直原来角速度方向的角加速度和角速度变化,即使陀螺转动轴产生水平方向的转动
。在外力矩和转动惯性的共同作用下,陀螺的角速度方向将沿水平方向时时变化,陀螺将边自旋,边公转,所以它会进动,不会倒下来。
观念转变了,以新的观念作为信念的基础,一切都顺理成章,成为极自然的事情了。
我们甚至可以用“牛顿第二定律”———刚体的转动定律,探讨陀螺的自转角速度和公转角速度的变化
以上,我已完成了关于陀螺不倒之谜的探讨。请诸位老师批判。
下面,我将继续探究章动之谜

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转轴水平的陀螺,在受到与转轴垂直的重力矩作用时,不什么不沿力矩的方向转(倒下去)?
在“转动人”看来这个问题提得好奇怪
它为什么要倒下来呢??!?!是啊,有什么理由说它要沿力矩的方向倒下来。

还没看完……
这里好像有问题:
转速不够
,陀螺依然要倒下来,尽管倒下的轨迹是螺旋线
就是说,“转动人”也不得不看到,转动的陀螺有可能不倒,也有可能倒,他的世界也不是很平静。
除非他认为这都很正常,就像我们“平动人”一样,认为陀螺该倒的时候就要倒,不该倒的时候就不能倒,一切取决于陀螺自己,我们“平动人”和“转动人”都不能预言
这与卫星不一样,我们可以预言卫星圆周速度多大时就可以不掉下来了,因为离心力与引力平衡
但是陀螺不行,我们不能预言他什么时候平衡,只能看他的表现

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不,不
在“转动人”看来,这是很容易解释的事,你容我下篇细细道来

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廖老师基于天涯夏梦的思路(教科书),结合电学理论推出了章动振幅,很有创意(似乎还没到最终目的……维持规则进动的最低自转角速度)
我基本功本来就欠缺,再加上电学理论几乎空白,对具体推导过程不敢妄加评论,仅就我能理解的部分提些疑问
1、所推导的章动运动,有没有随时间收敛的迹象?理想状态下章动是否会以摆线的形式等振幅运动下去?
2、几乎所有文献在论及章动时最后都有一句,
由于摩擦(阻尼),章动幅度将逐渐衰减,最后只留下规则进动
。如果廖老师的结论也是如此,请问阻尼是通过降低自转角速度导致章动幅度衰减吗?

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回复: 与陀螺对话

另外,请教各位一个小问题
受周期力f(t)=Fcos(ωt)作用做简谐运动的单摆,质量为M摆锤的运动速度明显是v(t)=Vsin(ωt)
选取摆锤上一质点m进行观察,他的运动速度必然也是v(t)=Vsin(ωt)
那么能否说,是力
f(t)
=mf(t)/M=mFcos(ωt)/M,导致他如此运动的?