對(duì)於一個旋轉的陀螺(luó)體係,如果不發(fā)生偏轉(左側(cè)),不論脫落是否旋轉都可以保持穩定,這顯而易見的,但是實(shí)際生活中旋轉的陀螺總會遇到(微小)擾(rǎo)動導致出現右側的情形.一個(gè)很小的擾(rǎo)動導(dǎo)致陀螺偏轉了θ角,請理解這個θ非常微小.這個擾(rǎo)動可(kě)以是一陣微風,一個震動,桌麵的摩擦力(lì)變化等等,都可以導致出現一個(gè)這樣的偏轉.
假設陀(tuó)螺旋轉的速度不變,通過對比(bǐ)左右兩圖,發現上(shàng)述體係發生了變(biàn)化(huà),(為了方便觀察我(wǒ)把(bǎ)θ角畫(huà)得很大(dà)),你會發現雖(suī)然轉(zhuǎn)動陀(tuó)螺上(shàng)所有的質點(diǎn)的(de)旋轉絕對速度沒(méi)有變(桌麵參照係),但是速度(dù)方向已經從水平變成帶(dài)有斜向的角度,這個可以想象(xiàng)一下圖中黑點的狀態.
速度方向(xiàng)變化將(jiāng)導致整個陀螺旋轉的角動量(矢量)發生改變,沿垂直方向的分量減小,根據角動量守恒(和轉速相比,這是一個很小(xiǎo)的θ),陀螺將保持這部分旋轉的角動量,產生一個圍繞垂直軸的公轉,維持了這部分減小的角(jiǎo)動量,維(wéi)持了角動量守(shǒu)恒,新產生的扭矩平衡掉了重力的扭矩(jǔ)和離(lí)心力(lì)。
因此陀螺偏置後(hòu)必須(xū)發生公轉才能保(bǎo)持穩定,而且從上圖中看出,黑點越重,轉速越快陀螺越穩定.這是為什麽很多好(hǎo)的陀螺設計成下麵這個樣子:
隻需要保證質心在中間(軸對稱即可),外(wài)圍盡可能增(zēng)加配重,這樣發生偏轉角動量就多一些(xiē),公轉速度也會加快,能夠快速拜托微(wēi)小擾動回歸垂直狀態(tài).