“不倒”的陀螺

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说起陀螺，很多人都十分熟悉，它是我们童年时候常常玩的一种玩具。木制陀螺是利用坚硬的木材，如蕃石榴、龙眼等树的树干做成的。用绳子一抽，陀螺就会旋转起来。仔细观察，我们会发现陀螺有时会直立着旋转，有时也会倾斜着旋转。但是，它会一直旋转而不会倒下，这是为什么呢？

小小陀螺，我们从小就玩，可是关于它的科学原理，要用到很深的物理知识，基本上要到《大学物理》课上才能学到。下面，我们一起试着稍作探索，建议大家上网搜一搜有些专业名词，例如：力矩、角动量。如果实在没时间，你也可以跳过下面这一部分内容，直接进入“‘不倒’的陀螺用处大”。

让我们先来分析陀螺直立着旋转的情况，如下图所示，这是一个质量分布均匀、对称的陀螺，中心轴线是它的对称轴也是它的自转轴。当抽陀螺时，我们相当于给陀螺一个侧向的力，忽略空气阻力时，在后续的运动中陀螺所受的合外力矩为零。而在物理学中，有这样一条守恒规律，当物体所受合外力矩为零时，它旋转速度的大小将保持不变，同时转轴的方向也不变。这样，陀螺就会绕竖直轴稳定地旋转，而不会倒地。

如果仔细观察，我们可以发现，在大多数情况下，陀螺是倾斜着旋转的，即绕着倾斜的轴旋转时，其所受的力矩不为零。这样，陀螺在旋转的时候，不但围绕本身的轴线转动，而且还围绕一个垂直轴作锥形运动。也就是说，陀螺一面绕着本身的轴线作“自转”，一面围绕垂直轴作“进动”。重力对陀螺的力矩不为零，而陀螺的进动角动量可以平衡重力矩的作用，所以陀螺在旋转时不会倒向地面。陀螺围绕自身轴线作“自转”的快慢，决定着陀螺摆动角的大小。转得越慢，摆动角越大，稳定性越差；转得越快，摆动角越小，因而稳定性也就越好。

当然，生活中空气阻力是存在的，所以，如果不再继续用绳子抽陀螺，它就会在空气阻力的作用下渐渐减速，最终倒地。

其实，陀螺不倒的原理与人骑自行车的原理差不多，人骑自行车之所以不会倒，是因为运动中的自行车具有较大的角动量，在外界不大的力矩的作用下，具有较大的角动量的自行车能保持自身的平衡。

人们正是利用了陀螺这种“不倒”的特征，制造了陀螺仪。在航天员王亚平老师的太空课上，我们看到了神奇的玩具陀螺仪。

陀螺仪的用处非常大，在国防、航天航空领域，甚至在我们的手机导航里，都要用到它。

航海的舰船中，陀螺仪不仅被用来测方位和航行速度，还能减小船舶在风浪中的摇摆。

导弹、卫星运载器或空间探测火箭等航行体的制导系统中，用陀螺仪的信号完成航行体的姿态控制和轨道控制。

安装在飞机或卫星上的照相机，要依靠陀螺仪来保持相对地面的稳定。

航天飞机按一定的航线飞行也要靠陀螺仪。

陀螺仪能帮助列车在单轨上平稳行驶。

在矿区、油田，陀螺仪用来测量钻孔斜度和方位等。