陀螺仪为什么能定位方向?《张朝阳的物理课》讨论飞轮进动的原理

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地球引力对空间站里的宇航员有影响吗?飞轮受到重力为什么不会掉下来?5月1日12时,《张朝阳的物理课》第五十期开播,搜狐创始人、董事局主席兼CEO张朝阳坐镇搜狐视频直播间,类比上节课计算太阳引力对地月相对运动的影响,计算了地球引力对空间站里两位宇航员相对运动的影响,并指出两者的区别与联系。最后回到角动量定理的应用上,介绍了飞轮进动的原理,并说明了为什么陀螺仪可以用来定位方向。

 

陀螺仪为什么能定位方向?《张朝阳的物理课》讨论飞轮进动的原理-蓉城在线

上节课计算了地月相对运动方程中太阳引力的影响,利用相同的方法,张朝阳研究了地球对空间站中两位宇航员的相对运动的影响。但两位宇航员之间的引力非常小,故地球引力对其相对运动的影响不可忽略,最终计算表明地球引力在两位宇航员之间的相对运动方程中等价于一个谐振子,谐振子的固有角频率为宇航员绕转地球公转的角速度。若我们换到在与地球中心相对静止的惯性参考系里看,并保持空间站是平动的,将明显看出两个位宇航员在空间站中以角速度ω绕着质心转圈,这正好符合前面推导得到的谐振子相对运动公式。

 

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(张朝阳计算地球引力对空间站里二体系统的影响)

接着张朝阳回归到角动量定理的应用上,讨论了飞轮的进动。飞轮受到重力作用,且一端固定,相应的力矩等于位置矢量与重力的外积。而根据刚体角动量定理,角动量随时间的变化率等于物体所受的合外力矩,重力矩方会导致飞轮自转的角动量方向不断变化,最终整体绕着支点在水平面上旋转,此即“进动”。进动的角速度可由角动量定理得出。这是一个比较反直觉的效应。飞轮虽然持续受到重力的影响,但不会如同单摆那样直接往下掉,而是绕着水平方向腾空旋转。

除了飞轮的进动张朝阳还讲解了陀螺仪的工作原理。陀螺仪中的物体绕轴高速旋转,从而具有非常大的角动量。陀螺仪在较短时间内受到外来力矩的扰动,导致的角动量变化相比原本极大的角动量非常小,那么角动量方向的改变也就非常小,从而陀螺仪的指向几乎不受扰动,稳定性极高,中国空间站“天和”核心舱里就装载了六个高速旋转的大铁球作为陀螺仪,帮助其在广袤的太空中定为方向。

截至目前,《张朝阳的物理课》已直播四十余期。从去年11月开启第一节物理直播课,他先是从经典物理学开始,科普了牛顿运动定律等;而后从经典物理的“两朵乌云”说起,向近现代物理过渡,探讨了黑体辐射理论中的维恩公式、普朗克公式等知识。此后逐步进入量子力学领域,从基础的薛定谔方程等理论内容,到氢原子波函数,再到气体定容比热的温度阶梯等更加具体实用的案例。内容丰富、覆盖广泛,理论公式由浅入深、繁简交融。

《张朝阳的物理课》的直播风格独树一帜:注重推导,通过一步一步详尽的数学计算,推导出相关的物理公式,把每个公式从头到尾拆解得十分清晰。

据了解,《张朝阳的物理课》于每周周五、周日12时在搜狐视频直播,网友可以在搜狐视频“关注流”中搜索“张朝阳”,观看直播及往期完整视频回放;关注“张朝阳的物理课”账号,查看课程中的“知识点”短视频;此外,还可以在搜狐新闻APP的“搜狐科技”账号上,阅览每期物理课程的详细文章。

除了《张朝阳的物理课》外,在直播方面,搜狐视频正持续打造知识直播平台,邀请各个科学领域的头部播主入驻,进行科普知识直播。包括中国运载火箭技术研究院专家钱航,直播讲述航空航天事业发展史;北京交通大学理学院教师陈征博士线上开课——“奇趣的科学实验”;中国科学院基因组学博士、元码基因创始人田埂讲解基因组学与生活的紧密联系;天体物理博士刘博洋科普“日全食是怎么产生的”等。未来还将有更多知识播主入驻搜狐视频,一起互动玩转科学。

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