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自从人类把航天器成功送入太空,各种科学实验就开始了。这些太空实验千姿百态,妙趣横生,增加了人们对太空的了解。推动了航天科技的发展。在地面上。陀螺受到外力后转动一段时间就会停下来,在太空中,旋转的陀螺会停下来吗?它运动的位置如何确定呢?
请同学们来看王亚平做的第三个太空实验:旋转陀螺——定向仪。
实验过程:如图1,王亚平拿起一个静止的陀螺。悬空放置,给它一个干扰力,这个静止的陀螺开始翻滚着向前运动,它的轴向发生了很大的改变。随后,王亚平把它抓回来,让它旋转起来,放到同样位置,给它同样的干扰力。这次,陀螺不翻滚了。而是晃动着向前“走”很快。王亚平再次把它抓回来。然后拿出另一个陀螺,让它们一个静止、一个旋转,给它们同样的干扰力。结果,静止的陀螺开始翻滚着向前移动,而旋转的陀螺虽然晃动着。但是轴向基本没有改变。
专家解读:转动的陀螺具有“定轴性”,何为定轴性?就是当陀螺转子高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变的特性,也称为稳定性。转子的转动惯量(刚体绕轴转动时惯性的量度)和角速度愈大,稳定性愈好。定轴性遵守角动量守恒定律——在没有外力矩作用的情况下,物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩,由于角动量守恒,高速旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上之所以很难实现。并不是因为角动量守恒定理不成立。而是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量,使其旋转速度逐渐降低,不能很好地保持旋转方向。
王亚平介绍说,高速旋转陀螺的定轴特性在航天领域用途广泛,在“天宫”一号目标飞行器上。就装有各式各样的陀螺定向仪。正是有了它们,才能精准地测量和矫正航天器的飞行姿态。
点拨:同学们可先来了解一下动量的知识。如果不理解其中的含义,没关系,只记住一个简单的公式即可,动量p=mv,m表示质量,v表示速度,动量p方向与速度方向相同。角动量在经典力学中表示为到原点的位移和动量的叉乘(高中会学到叉乘知识)。通常写作L,L=rp,其中,r表示质点到原点的位移,p表示动量。在不受外界作用时,角动量是守恒的。有兴趣的同学可以阅读高中课本的相关内容,说不定会有更多的收获。
高速旋转的陀螺具有很好的定轴性。陀螺这一特性在天上、地下完全一样。因此,有很多设备都是用陀螺组合来定向。在某些高档轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器。可以实现车身稳定度的控制。
责任编辑 蔡华杰
请同学们来看王亚平做的第三个太空实验:旋转陀螺——定向仪。
实验过程:如图1,王亚平拿起一个静止的陀螺。悬空放置,给它一个干扰力,这个静止的陀螺开始翻滚着向前运动,它的轴向发生了很大的改变。随后,王亚平把它抓回来,让它旋转起来,放到同样位置,给它同样的干扰力。这次,陀螺不翻滚了。而是晃动着向前“走”很快。王亚平再次把它抓回来。然后拿出另一个陀螺,让它们一个静止、一个旋转,给它们同样的干扰力。结果,静止的陀螺开始翻滚着向前移动,而旋转的陀螺虽然晃动着。但是轴向基本没有改变。
专家解读:转动的陀螺具有“定轴性”,何为定轴性?就是当陀螺转子高速旋转时,在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时,陀螺仪的自转轴在惯性空间中的指向保持稳定不变的特性,也称为稳定性。转子的转动惯量(刚体绕轴转动时惯性的量度)和角速度愈大,稳定性愈好。定轴性遵守角动量守恒定律——在没有外力矩作用的情况下,物体的角动量会保持恒定。航天员瞬时施加的干扰力不能产生持续的力矩,由于角动量守恒,高速旋转陀螺的旋转轴就不会发生很大改变。而这一点在地面上之所以很难实现。并不是因为角动量守恒定理不成立。而是因为陀螺与地面摩擦产生的干扰力矩等因素改变了陀螺的角动量,使其旋转速度逐渐降低,不能很好地保持旋转方向。
王亚平介绍说,高速旋转陀螺的定轴特性在航天领域用途广泛,在“天宫”一号目标飞行器上。就装有各式各样的陀螺定向仪。正是有了它们,才能精准地测量和矫正航天器的飞行姿态。
点拨:同学们可先来了解一下动量的知识。如果不理解其中的含义,没关系,只记住一个简单的公式即可,动量p=mv,m表示质量,v表示速度,动量p方向与速度方向相同。角动量在经典力学中表示为到原点的位移和动量的叉乘(高中会学到叉乘知识)。通常写作L,L=rp,其中,r表示质点到原点的位移,p表示动量。在不受外界作用时,角动量是守恒的。有兴趣的同学可以阅读高中课本的相关内容,说不定会有更多的收获。
高速旋转的陀螺具有很好的定轴性。陀螺这一特性在天上、地下完全一样。因此,有很多设备都是用陀螺组合来定向。在某些高档轿车上就安装了测量车身纵向和横向摆动的陀螺传感器。可以实现车身稳定度的控制。
责任编辑 蔡华杰