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通识物理:定量特性及角动量守恒定律应用

时间:2023-10-28 理论教育 版权反馈
【摘要】:通过角动量守恒定律,我们现在已经知道:“合外力矩为零的转动系统,其角动量守恒。”根据角动量守恒定律的定量特性,我们可以解释一些生活中常见的现象。显然,这些运动员也是在利用角动量守恒定律,通过减小身体的转动惯量来增加转动角速度,从而完成滚翻动作。如图3.5 所示,当地球离太阳较近时,地球绕日运行的距离r 较小,所以地球绕日公转的转动惯量J 较小。图3.5阴历月的长短与角动量守恒定律有关

通识物理:定量特性及角动量守恒定律应用

通过角动量守恒定律,我们现在已经知道:“合外力矩为零的转动系统,其角动量守恒。”对于角动量“守恒”,我们可以从大小和方向两个方面进行理解:首先,从角动量的表达式l = Jω 看,如果角动量l 守恒,那么转动惯量J 和角速度ω 的乘积就是一个定值,或者说转动惯量J 与角速度ω 成反比,这就是角动量守恒定律的“定量特性”。

根据角动量守恒定律的定量特性,我们可以解释一些生活中常见的现象。比如,每一个花样滑冰运动员都是一个天生擅长旋转的精灵,除了优美的舞姿,点冰旋转跳是必备的动作。然而,在跳起的短时间里,如何快速做出多圈的旋转动作呢?其实,人无论在地面还是空中,都有一定自控旋转极限。在地面起跳前,运动员会尽量伸开手脚,这是为了增加身体的转动惯量,从而在较低的自控旋转速度下,也能获得较大的角动量(l=Jω)。而当点冰起跳后,在短时间内,运动员旋转的角动量近似守恒。所以,这时运动员又会收起手脚,以减小转动惯量,并在角动量守恒定律的作用下,极大地增加身体的旋转速度(l=Jω),以保证身体在落地前快速完成旋转动作。其实,不仅是花样滑冰运动,在自由体操以及跳水等比赛中,我们也常常看到运动员在起跳后会抱紧身体。显然,这些运动员也是在利用角动量守恒定律,通过减小身体的转动惯量来增加转动角速度,从而完成滚翻动作。

宇宙中碟状星云的形成也与角动量守恒定律有关。其实,早期的“星云”并不像我们现在所看到的“碟状星云”那样,其只是一团炽热、飘浮的气体。这些气体在万有引力的作用下逐渐收缩、聚集,并开始绕着核心旋转。由于气体所受万有引力的方向总是指向旋转核心,所有旋转气体所受的引力力矩为零,这就使得这些旋转气体满足了“角动量守恒”的前提条件。而随着引力的增大,气体的聚集越来越紧密,就像收起手脚后转速变快的花样滑冰运动员,收紧的气体在减小自身转动惯量的同时,也在角动量守恒定律的作用下使自身的旋转速度增加;而旋转速度的增加又会产生较大的离心力,就像在离心机中被甩向边缘的棉花糖,离心力使星云的旋转平面逐渐拉大,而不受到离心力作用的星云轴向方向却始终在引力作用下收缩,并填补到拉大的旋转平面中去。就这样,星云的旋转平面越来越大,而轴向长度却越来越短,并最终形成我们现在所看到的扁平的“碟状星云”,这便是星云的秘密。

地球阴历月的长短也是由角动量守恒定律所决定的。在广袤的太阳系中,包括地球在内的所有行星都只受到太阳的万有引力(行星间的引力太小,可以忽略不计),因为引力始终指向太阳,也就是转轴,所以行星所受引力的力矩总是为零。因此,太阳系中所有的行星都满足“角动量守恒”的基本条件。又根据开普勒第一定律:“地球绕日运动的轨道是一个椭圆,而太阳始终位于椭圆的其中一个焦点上。”所以地球在做绕日运动过程中,必然有近日点,比如中国的冬至日;也有远日点,比如中国的夏至日。如图3.5 所示,当地球离太阳较近时(中国的秋冬季节),地球绕日运行的距离r 较小,所以地球绕日公转的转动惯量J 较小。根据角动量守恒定律可知:当地球公转的转动惯量J 较小时,地球公转的角速度ω 必然较大,也就是具有较短的阴历月。当然,等到了春夏季节,这种情况将会完全相反。随着地球远离太阳,地球公转的转动惯量J 增大,会导致公转的角速度ω 减小,阴历月也会逐渐变长。我们从图3.5 可以清楚看出:对于北半球的中国而言,小雪到大寒这段节气的时间是最短的,每个阴历月只有29天;而小满大暑这段节气的时间则相对较长,每个阴历月有31 天。当然了,在澳大利亚所在的南半球,上述情况又会刚好相反。(www.xing528.com)

图3.5 阴历月的长短与角动量守恒定律有关

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