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Shownotes Transcript
各位同学 各位老师 大家下午好我是来自于北京理工大学的许坤今天我跟大家分享的题目是神奇魔力转圈圈其实我想的是爱的魔力转圈圈这个转圈大家都知道吧 会转圈吧举手的同学是表示你会转圈吗其实转圈在生活中是一个比较常见的现象最常见的是什么 我们汽车 车轮这都是转圈但是有了这个同学就会想转圈有什么科学吗这里边
但其实转圈里边有着很深奥的科学这就是我跟大家分享的大家在北京经常能看见老大爷们喜欢在公园里干什么抽陀螺 对不对大家见过吗有抽过陀螺的吗我见过有抽这么大的陀螺的不知道大家见过没非常厉害这个陀螺就是转圈但是这个陀螺能一直转大家发现了没对 还有玩具陀螺有人玩过这个玩具陀螺吗
战斗陀螺啊两个陀螺能转得非常快然后再碰在一起火花四溅当然你们玩的可能是塑料的啊然后还有呢在这个右边还有个图这个指尖陀螺它有一个特点就是当你转起来之后它能一直在转对不对不管是大爷抽的陀螺还有我们玩的战斗陀螺还是指尖陀螺它都能转得非常久非常平滑大家能想过它为什么能一直转吗
你看这里边就可能有一定的科学原理在里边了我这里其实也有一个陀螺我给大家准备了一些实验道具我我现在有一个小陀螺大家仔细看我现在先让它转起来很神奇为什么我说神奇魔力转圈圈呢我这么拿吧 321 接住了看见了吗是不是在我手指上没有倒但是我如果不让它转的话它会怎么样
它会倒 是不是你看一个陀螺转起来就可以站起来当然你可能说这个是比较小的一个陀螺我给大家演示一个大的这是什么大家会骑自行车吗我这是把我家自行车给拆了来给大家做一个实验大家看啊这个其实是不是它也可以转也相当于一个陀螺呀我现在给它绑了一根绳我如果现在松手会怎么样我有根绳啊 看见有根绳它这会倒是吧它会倒没有问题吧
但是 我说但是了我把它转起来给大家看一下看见了吗轮子怎么样 是不是轮子竖起来了跟刚才的陀螺非常像它并不会倒下去
这就是神奇魔力转圈圈这个物体轮子 陀螺它们转起来以后它就跟静止的时候有着非常大的不一样这里面的原因是什么有同学知道原因吗大家没有说话的说明不知道所以现在就我来给大家讲一下是什么原理这里边就有一个非常深刻且非常基础的
物理量叫做角动量大家听过角动量吗我看有同学有点头的但是可能大部分都没听过因为这个知识可能你们得到了大学才会认真地学所以今天你们听到的是大学的课程但是我会给大家非常直观地演示出来
角动量它是定义是质量一个物体的质量乘以它的角速度乘以它的距离角速度大家可以理解是吧你转得快转得慢而距离呢就是这个物体比如说我的手到我这个转的这个距离这个距离就是而角动量手横大家听过能量手横吧
那角动量它也有一个守恒的这样一个定理说的是当你这个物体不受力矩的时候就是说没有一个力想让它转的时候呢它的角动量是不变的而这个角动量不变包含了两层意思第一个是指它这个大小不变我还是保持这个大小另外一个呢是指它的方向不变因为一个物体在转的时候它其实有个方向的这个方向就是它的转轴
大家可以看一下角动量手横其实在生活中有很多的应用和现象比如说这幅图里显示的这个花样滑冰的运动员大家见过吗你看他刚开始转的时候是非常慢你看他做了一个什么动作脚收起来了手也收起来了对不对手收起来之后他怎么样了变快了对这其实呢就是角动量手横的原理他的这个人的质量是不变的
它的角动量也不变大家可以看这个公式当它把手收回来的时候距离怎么样距离变小了那角速度会怎么样会增大因为角动量是不变的当距离减小那角速度会增大这样的话就会让你哎
转得更快了所以你看你如果想当一个滑冰这个花样滑冰运动员如果你不懂物理 不懂科学你可能还滑得不是很好那大家会滑冰吗自己试过这个现象吗我今天给大家一个道具 大家体验一下这是什么在公园里见过吧有谁想上来试一下
这样吧 我来选两个就是那两位同学一会儿我教大家怎么做不过没有上来的同学没关系大家回家可以用转椅大家都有转椅是不是没有转椅没有转椅那你们去公园也找一个我还准备了两杯水那肯定不是为了喝的好 你先上来站着敢站吗看一看你手拿两瓶水你先把水这样你先这样一下对 好
你先这样啊一会儿当我说我帮你转起来的时候你就迅速把它收进来然后转两下再迅速把它打开大家来看一下它的速度怎么样现在轻轻地我给你转起来伸手收进去再伸手感觉到了吗好 可以下来大家看到那个转快和转慢的现象了吗这位同学你也上来试一下好 站稳了你刚才看到它怎么做的了吗
先把手伸开一会儿你收的时候你这样把整个都收进来一二三 转收是不是变慢了再收 再放已经不转了可以下来了谢谢两位同学再给他鼓鼓掌是不是非常明显的速度发生了变化这个就是角动量守恒我给大家最后演示一遍
你看我上来的时候我其实你看我动不了的根本扭不动对不对但是当我把来一点速度我站不住了速度太快站不住所以你看这个就是脚动量守恒带来了这样一个非常有意思的现象其实脚动量守恒呢它在我们的生活中有非常多的体现有的时候是有用的有的时候是没用的大家见过直升机吗
直升机它要飞起来只要有一个螺旋桨就够但是为什么尾巴上还有一个有的同学已经说了非常清楚这个其实它就是跟角动量守恒有关的因为你这个飞机你机体和你的螺旋桨它是一体的它整体又要保持角动量守恒当你这个螺旋桨在这么转的时候那机体是不是想反着转才能保持整体的守恒呢
但是我们坐在飞机上我们开飞机我们当然不希望它转对不对我们希望它稳定那我们肯定不希望它打转那怎么样我们就在尾巴上再安一个小的螺旋桨朝反方向吹吹气来抵消这样一个转动对不对那如果我们想尾巴上不放这样一个小桨还有什么办法呢是不是有这种双轴的
双轴的直升机两个那个机翼一个往这转一个往那转这样的话就能维持整体的平衡了这也是一种方案但其实脚蹲量守恒在生活中还有更多的甚至跟大家人体都有关大家走路的时候自己想过吗大家可能不知道怎么走路我给大家演示一下走路要这么走大家发现了吗我们的脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚脚
但是有的同学可能要耍酷非得插兜他得这么走还有的同学不知道大家军训过吗有的顺拐的还有这么走的这么走大家就会觉得既不好看也非常别扭但是我们自然走路的时候就非常舒服这是为什么呢这其实也是脚动量守恒因为你想我们人体当在迈脚的时候比如说我往前迈左脚吧其实它是在人体有一个旋转的趋势
大家可以一会儿感受一下那人体当然脚上确实有摩擦力但是整体人还是要保持一个脚动量守恒但是人本身没转你迈脚它又有转的趋势这样人体就不平衡容易摔倒所以人类以及整个生物在演化的时候自然地就会演化出让右手也往前甩左脚是想这么转而右手是往这么转二者就抵消了所以我们这么走路就非常的舒服而且能保持平衡我们跑
跑步的时候尤其要快跑一定是得这样跑对不对没见过这么跑的吧这么跑那一跑就摔倒了对所以大家一会儿回去之后往回走的时候可以走路一下试试感受感受自己是不是这么走的当然你们也可以感受一下如果非要插兜走这个感觉对不对大家去感受这个脚动量在生活中的这种体现但是脚动量的话还有很多带来很多的应用比如说它有稳定作用
刚才我给大家讲的角动量守恒它不仅大小不变它还要方向不变这就好像一个你这个自行车带会起吧会起 有很多同学会起自行车最艰难的就是在启动的一瞬间让它跑起来的时候这个轮子它有角动量它就不想改变方向所以它就很稳定但是如果自行车放在这儿不启不动的话
对不对 它就很容易倒所以你看这个当这个自行车就跟乘经理一样自己就可以不倒地往前跑这个就是轮子的角动量所带来了这种稳定的作用我们利用这种原理甚至可以让一辆自行车自己一个车子在这稳定地往前走所以角动量有非常好的稳定作用我想再问一下大家喜欢射箭吗有人去射过箭吗射箭的时候大家发现
这个剑的尾巴上有什么有羽毛 对不对羽毛的作用是什么稳定同学都非常清楚但是大家知道弓箭我们现在已经不用了在战争我们用什么那枪上有羽毛吗子弹上有羽毛那子弹该怎么稳定呢
这里边也利用了角动量原理你看这个枪的枪管它其实不是光滑的大家见过吗枪管不是光滑它里边是有螺纹的当子弹打出去的一瞬间它会被螺纹带着怎么样旋转而旋转带来什么稳定
旋转就会让它稳定它的角度量守恒所以它就不容易改变方向所以打出去的子弹能直勾勾地往前跑手枪也好冲锋枪也好炮弹也好都有这方面的设计所以没有这个角度量守恒的话我们这个子弹可能打出去就歪七八九很快就打跑偏了那可不行火箭那可能有主动稳定系统了其实还有一个类似的东西大家玩过这个铁环吗我今天带了一个过来
我给大家演示一下这个怎么玩可能有的没玩过我不会玩 不过哎 跑了 勾回来了再给大家演示一下它关键就是得让它前进大家看出来刚才这个一次成功一次失败的区别是什么它是一个铁环如果它不动 它就倒那怎么才能不倒
对 它必须快速地转动转动它就有角动量就不容易改变它就不容易倒所以我们不管是骑自行车也好还是滚这个铁环也好最难的就是在启动的一瞬间我们需要迅速地让它速度加起来它就能稳定所以你如果慢悠悠地推那你就推不起来你必须在那个一瞬间推一下大家玩过飞盘吗
飞盘也得转起来才能稳定对不对如果不转的话直接扔它就会被风吹得乱七八糟的当然这些都是生活中的一些简单的场景和使用它还在军事上和一些更高大上的地方也有用比如说刚才说的这个方向不易改变就使得它可以被用来导航我们现在手机上有 GPS 导航什么的对不对但是以前没有这些电子器件该怎么办
飞机大炮上怎么弄他们有这种早期的机械惯性导航装置它里面其实就是一个大轮子我把它转起来之后它就会保持一个方向它方向不动无论我这个它里面有这些轴无论我的飞机怎么转动它这个轮子的方向不变它这个陀螺的方向不变所以我只需要知道我跟它的这个夹角我就能知道自己现在朝着哪了对不对所以这就是早期的这种角度上守恒在这种机械导航装置上的应用
但是还有一些东西比如说空间站这个地方我们不用它导航我们要考虑另一个事就是空间站在太空中怎么调整自己的姿态在地面上比如说我们开车吧开车怎么样我们有方向盘我们有轮子大家可以看一下这个空间站不知道大家注意过没有空间站的那中间有一圈一圈大包它里边是一个陀螺仪你打开看一下里面就是一个
非常沉的跟人那么大的一个陀螺仪这个黄庆元 桂海潮在太空中也演示过这个实验而下面呢大家有能做一下这个实验吗应该很难吧因为大家都没有太空的这样一个场景啊必须上太空才可以做但是呢我现在可以带大家去做一下这一个实验去感受一下啊还是刚才的道具首先还得有一个这个其次还有一个轮子我先给大家看一下啊
我其实在上面的时候我是比如说我想朝那儿我能过去吗我过不去是吧其实很难但是有一个简单的办法当我手握一个轮子的时候来 请主持人帮忙一下加速 加速 加速好 大家看好了所以当我手握一个轮子的时候就好像握了一个方向盘大家看见了吗好 下面请同学们上来感受一下你先站在这上面对
下面先让他演示一下怎么才能原地转不动你可以先转向你试试自己转一下试试能转吗比如说你朝向我来过来转过来来你看大家其实很困难对不对还是有一定的功夫的来现在拿着这个对手握握好你现在把它伸直伸直胳膊伸直然后这样转你要快速快动转对好
现在轮子没转它不动一会儿我让它转起来但是当转起来的时候力量会非常大你自己轻轻地你自己感受一下这个力量好 试一下反转再试一下转一圈好 往回转有没有非常明显感受到了力量吗使劲掰 往回掰就好像手握方向盘一般往左掰 往右掰你就可以转起来力量大不大当它转起来就有非常大的力量在这好 回到正中间
好 非常棒最后一位同学 胳膊伸直左掰右掰感受到力量了吗再掰一下好 回掰使劲 再掰再掰 再掰 再掰 再掰再来 使劲 使劲对 回到正中间大家鼓一下掌吧 给三位同学这个算是在我们的地面上模拟了空间站的一个实验
这个其实是一个非常基础但是非常高端的应用但是像旋转这些东西不仅仅是在我们日常生活中有用它有很多的基础原理在整个宇宙都适用了从微观的到宏观的比如说地球在旋转地球绕着太阳也在旋转太阳系在绕着银河系旋转银河系本身还在旋转
比如说有中子星旋转有的黑洞也在旋转所以大家看到当我们抬头仰望星空的时候好像整个宇宙都是在旋转那旋转为什么这么特殊呢为什么所有的物体都在旋转呢它既有引力的关系也有角动量守恒的原因带来的这个问题我留给大家大家自己可以回去之后去仔细地了解一下角动量守恒和整个宇宙的关系
最后我想跟大家分享的两个总结就是其实有很多的物理学原理一些科学的原理它在整个宇宙都是适用的小到一个陀螺大到整个银河系甚至整个宇宙角度上守恒它都是一个适用的普遍的规律
而像这样的科学实际上就在我们日常生活中我们可以通过日常生活的一些现象总结出一些规律就能看到整个宇宙所发生的事情那这就要求我们要有一双发现科学的眼睛科学就在大家身边这就是我的分享谢谢大家