可以动的指尖陀螺如何玩（魔力科学小实验）

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文 | 魔力科学小实验，本文为原创，转载请注明来源。

北京时间2021年12月9日15点40分，“天宫课堂”第一课在距离地面400公里的太空正式开启。神舟十三号“感觉良好”乘组航天员翟志刚、王亚平、叶光富变身“太空教师”，在中国空间站精彩开讲，并面向全球同步直播。

毫无疑问，这是迄今为止，孩子们上过的最贵的、最高大上的一堂“网课”了。

“上课”伊始之际，航天员叶光富演示了在太空转身，尝试了很多办法都没成功，最后以手臂画圈的方式得以实现。转身不应该是脚的事吗？与手何干？

只因为那里不是地球，而是太空，在微重力环境下，举手投足都异常艰难。

一起来回顾一下这个难得一见的瞬间：

帮助航天员完成转身动作的是角动量！什么是角动量？王亚平说的生活中还有很多类似的现象，又有哪些？这正是今天实验要探讨的主题。

实验目的

理解角动量的概念，认识生活中角动量存在的现象

实验材料

热熔胶枪、自愈垫板、硬纸板

圆规、雕刻刀、指尖陀螺（2个）

操作步骤

1.用圆规在硬纸板上画一个直径约15cm的圆。

2.将纸板上的圆切下来，得到一个圆形纸板。

3.在纸板圆心处的正反两面各粘一个指尖陀螺。

4.纸板扶正立于桌面，同向快速拨动两个指尖陀螺。

5.用同样的办法异向拨动两个指尖陀螺。

现象及原理

通过上面的实验我们发现：异向拨动两个陀螺，纸板瞬间倒下。同向拨动两个陀螺，纸板在桌面旋转一段时间才倒下。

异向拨动：

同向拨动：

同向拨动两个指尖陀螺时，两个陀螺的角动量方向相同，互相叠加。忽略轴承与桌面的摩擦力，陀螺沿转轴方向的角动量守恒。在重力矩的作用下，为了保持轴向角动量不变，陀螺发生进动，由于两个陀螺转速较快，而且是二者叠加，所以进动的角速度很慢，纸板能立在桌面一段时间。异向拨动两个陀螺时，二者的角动量方向相反，互相抵消，陀螺的进动作用相互抵消，纸板应声倒下。

实验示范视频

BGM: MusicLFiles - The Beauty Of Future Technology

拍摄/剪辑：科学奶爸

什么是角动量及角动量守恒

角动量通俗地讲就是转动惯量与角速度的乘积，也叫动量矩，它相当于物体转动中的动量。角动量是一个比较抽象的概念，我们只要大致理解为这是一个跟物体质量和转动速度有关的物理量就可以了。

既然是转动，那么跟方向一定有关。如何确定角动量的方向呢？这个很简单，用右手定则即可判定：右手做个点赞的姿势，四指指向转轴旋转的方向，此时大拇指所指的方向就是角动量的方向。

以此类推，比如陀螺旋转时，如果陀螺是逆时针旋转，那么角动量方向是向上的，如果陀螺顺时针旋转，角动量是向下的。

如果一个物体没有力矩的作用（即物体不受力的作用，或者作用力过旋转轴时），物体的角动量保持不变，这种状态称为角动量守恒。

举个常见的例子：滑冰运动员在原地旋转时，通常都会把张开的双臂收回来，此时转速将会加快，旋转也会更持久，就是因为转动惯量变小，而角动量没有改变的原因（即角动量守恒）。

花滑运动员 / 图片源于网络，侵删

航天员叶光富在空间站里“直立”于舱内（实际上是悬浮），用右臂快速画圈，此时转轴就是自己的身体（逆时针转动），角动量朝上。由于微重力环境，在不接触舱壁及周围抓手的时候，航天员呈悬浮状态，空气阻力小到忽略不计，此时航天员就处在角动量守恒的状态。

跑起来的自行车为何不容易倒

骑过自行车的小伙伴们都知道，自行车骑得越快越稳，反而速度慢下来更容易倾倒，这个可以用角动量守恒来阐释。

简单理解就是自行车具有一定速度后，车轮具有转动的角动量，在车子偏向一侧时，重力产生的力矩转变为车轮的进动，车轮继续转动而不倾倒，表现为转弯。

自行车轮旋转 / 图片源于网络，侵删

绕轴旋转示意 / 图片源于网络，侵删

当然，自行车的问题比较复杂，角动量只是其中一部分。与平衡也有着密不可分的关系，那是另一个话题了。

角动量守恒的应用

现代的陀螺仪都是根据角动量守恒原理制作出来的，它是一种运动状态检测装置。不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件，即可作为信号传感器。

比如，智能手机里就有它的存在，所以打游戏时，通过调整手机角度就能控制方向。

陀螺仪的工作原理是：在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，还绕着另一个固定的转轴不停地旋转，产生进动。

陀螺仪在科学、技术、军事等各个领域有着广泛的应用。在飞机、轮船上都要安装陀螺仪来保持平衡。此外，回转罗盘、定向指示仪、炮弹的翻转都要利用陀螺仪发挥重要作用。

看完今天的实验，是不是感觉特别烧脑，没关系，据说脑袋就是经常使用才能更灵泛。现在科爸有一个更烧脑的问题：

我们生活的地球无时无刻不在转动，那么，地球的角动量是守恒的吗？咱们评论区见~

我是一名理工硕士奶爸，爱生活、爱科学，陪娃做了400多个“魔力科学小实验”。关注订阅我，每天3分钟，陪孩子在家做个小实验，培养孩子的科学素养！

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