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物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

(2017-05-20 10:51:30)
标签:

自旋场物理学

分类: 原创•评论

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

陀螺—上帝掷出的骰子 2017-05-19 09:46

【导言】:旋转是宇宙中物质运动普遍存在的现象,大到星系、行星,小到电子、光子,它们都有自旋、公旋性,因此,要正确认识客观世界物质的运动规律,就应洞悉这些物质产生自旋和公旋的物理本质;而物质的这些旋转性与陀螺运动基本雷同,因此,看清陀螺运动的物理本质是寻找客观世界物质运动真相的必经之门。

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

儿时之乐,记忆犹新

基于我们多年对陀螺运动的思考与研究,本号推出关于陀螺运动研究新观点的系列短文:我们将从陀螺运动所应遵循的基本规律——转动量、动能守恒规律出发,探讨陀螺运动形成的物理机制,并在此基础上推导出新的陀螺运动方程,且对新陀螺运动方程的物理意义作深入剖析与讨论;同时,我们还探讨了陀螺的其他几种进动与运动形式及其形成的物理机制......

敬请热爱陀螺运动研究探索的老师与朋友们给予关注和指点!

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

守望,旋转世界奥秘

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

司 今(jiewaimuyu@126.com

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

陀螺进动

关于陀螺运动的研究是一个既古老又新颖、既复杂又简单的课题;说它古老,上可以追溯到200多年前欧拉、拉格朗日等人的理论研究;说它新颖,下可以在太阳系行星运动、量子力学拉莫尔进动等中看到它的踪影;说它复杂,可以从欧拉刚体运动学和动力学方程组中看出端倪;说它简单,可以用力矩、惯性矩原理来推导出它的运动规律方程。

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

陀螺研究先驱—欧拉

欧拉是开拓陀螺运动理论研究的先驱,他在研究陀螺运动时引入了进动角ψ、章动角θ,自旋角φ、力矩M四个物理量,然后建立起他的刚体运动学,如图-1所示,但他所给出的刚体自旋力学方程组复杂且难以求解。

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

图-1

自旋为ω的欧拉刚体运动学方程组是:

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

自旋为ω欧拉刚体动力学方程组是:

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

运用这二个方程组,通过数学简化和解的取舍,最后可以得出自旋陀螺在理想状态下的进动方程为:

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

现在,众多教科书抛弃了欧拉用这种复杂的旋转坐标理论来研究陀螺运动,而用“矢量叉积”来推导陀螺运动方程,即运用陀螺重力矩(τ=R×Mg)与其自旋角动量变化率(τ=dl/dt=Ω×L)相等来推导出陀螺进动方程为:

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

纵观陀螺进动方程研究的历史,我们不难发现:不论是欧拉的旋转坐标法还是现代的矢量叉积法,它们运用的共同物理原理都是刚体力学中力矩、角动量、惯性矩等概念,即M=F×R、M=d J/dt、J=Iω等。

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

图-2

特别值得一提的是“矢量叉积”法,如图-2所示,它本身就源于对陀螺进动现象的提炼与总结而得出的一套法则,然后再返回来用这套规则去解释陀螺进动,这就犯了“循环印证”的逻辑大忌;因此,它不可能从陀螺进动形成的物理机制上告诉我们“陀螺进动为什么不到?”。

仔细研读、分析我们还发现,目前对陀螺运动研究存在以下几个主要误区:

1. 没有把陀螺运动当做真正意义上的自旋质点来对待,因为力矩、转动惯量与角动量概念都是与空间有关的量,这本身就与牛顿力学质点概念存在冲突。

2. 没有真正阐明陀螺自旋轴端受力对它的运动变化会产生什么样的影响。

3. 没有运用陀螺运动变化中须遵循类似于“动量、动能”这样的守恒思想来研究。

……,……,……

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?

我们将会对上述“误区”展开讨论和“补充”,敬请热爱陀螺运动研究的老师和朋友们给予关注和指点!

物理学对陀螺运动研究存在哪些误区?


http://www.toutiao.com/i6421493709015089665/

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