陀螺能一直旋轉下去嗎

金仲輝

讀者小宇在一檔節(jié)目中看到有兩個制造陀螺的企業(yè)比賽誰制造的陀螺旋轉時間長.由此他想起了小時候喜歡玩的抽陀螺游戲.對此他產(chǎn)生疑問：“為什么陀螺能夠長時間旋轉而不倒下？是否和牛頓第一定律所描述的類似，在沒有外力作用下，陀螺會永遠旋轉下去？為什么需要不斷用鞭子抽打陀螺.陀螺才能夠保持旋轉？”

這是一個很好的問題.想回答這個問題.需要正確理解牛頓第一定律，牛頓第一定律是這樣表述的：一切物體在沒有受到力的作用時.總保持靜止狀態(tài)或勻速直線運動狀態(tài).要注意的是.定律中所說的“物體”是指質(zhì)點或平動的物體.不涉及轉動的物體.在之后的物理課程“簡單機械”一章中.我們會學到杠桿平衡.所謂杠桿平衡是指杠桿處于靜止或勻速轉動狀態(tài)，即一般物體在不受外力的情況下，還可以處于勻速轉動狀態(tài)，由此可看出.當一個物體（如陀螺）旋轉起來時，若它不受外界的作用，它可以永遠勻速轉動下去.電視節(jié)目中的陀螺經(jīng)過了特殊設計，受外力影響較小.因此可以長時間保持轉動，但由于無法完全消除外力作用.因此最終還是會停止旋轉，

由牛頓第一定律可知.要改變物體的靜止或勻速直線運動狀態(tài)，外界必須對它施以影響，這種外界的影響（或作用），也就是我們通常所稱的外力.在外力的作用下，物體運動狀態(tài)會發(fā)生變化.具體表現(xiàn)為運動速度的大小或方向發(fā)生變化.而對勻速旋轉的物體而言.它的運動狀態(tài)發(fā)生變化就表現(xiàn)為旋轉速度大小或旋轉方向發(fā)生變化.要想改變物體的旋轉運動狀態(tài).也要給它施以力矩作用，那么，什么是力矩呢？在之后的物理課程“簡單機械”一章我們會學到力臂的概念.力F到支點O的距離Z（如圖1）叫作力臂.如果F是讓陀螺旋轉的動力，則l為動力臂：如果F是阻礙陀螺旋轉的力，則l為阻力臂.力和力臂的乘積即為力矩.它的單位是N.m.

我們在兒時玩陀螺時.要用鞭子不斷抽打它，才能使它不斷旋轉下去.用鞭子抽打陀螺.實際上就是改變陀螺的旋轉運動狀態(tài)，鞭子抽打陀螺產(chǎn)生的動力矩.會加速陀螺的旋轉，但是，當我們停止抽打陀螺一段時間后.陀螺會在空氣及地面摩擦力產(chǎn)生的阻力矩作用下停止旋轉.

陀螺在高速旋轉時.它的指向性非常穩(wěn)定.將指示方向穩(wěn)定的這個特征，應用于回轉儀（如圖2），可制成航海、航空的導航儀器，但是回轉儀中的陀螺，無論是它的形狀還是質(zhì)量分布.都與玩具陀螺有很大的差別.

責任編輯 林洋