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。