既好玩又有趣-(1)回旋陀螺,一种有个性的石头
既好玩又有趣-(1)回旋陀螺,一种有个性的石头
图中的陀螺按顺时针旋转时便会不稳定,片刻后又会转为逆时针旋转,但如果逆时针旋转则不会发生这种状况,陀螺似乎只愿意逆时针旋转,而不愿意顺时针旋转。
回旋陀螺
又称凯尔特石头,是一个半椭圆形的陀螺.它会往特定的方向旋转;但是,当被往反方向转时,它会变得不稳定,摇晃,停止,然后又变换往原来特定的方向旋转。
这一奇特的现象让回旋陀螺成为了一个很稀罕的物品,现在变成一种儿童玩具和科学道具。
下图是利用一个金属汤匙制作的回旋陀螺,只要将汤匙的柄弯折,并有些偏离虚线的中心轴就可以。(大家不妨自己试验一下)
回旋陀螺物理原理
回旋陀螺是考古学家于19世纪,在研究古凯尔特(Celt)与古埃及遗迹时所发现。科学家们被这奇异的物品深深迷住,从80年代后,陆续发表了超过28篇的研究报告,其中包括数学解答,电脑模拟以及物理原理等等,但是其复杂的物理过程并不容易解释清楚。
回旋陀螺在旋转时,基本上的过程是:旋转(顺时针)→上下振动→停止旋转→旋转(逆时针)从能量的角度而言,旋转的动能先转换为振动的动能,振动的动能再转换为反转的旋转动能。而所以会由旋转变成振动,主要是由于回旋陀螺的结构并非完全对称,即质量的分布不是完全均匀,如果质量分布均匀,才可能稳定的旋转。 因此一开始旋转后,回旋陀螺处于不稳定状态,滚动运动与俯仰运动的不稳定性开始连结,造成俯仰轴的上下振动的现象,于是转动能量被转换为振动能量,旋转因而会慢下来(当然也包括摩擦力的影响)。沿俯仰轴的上下振动发生时,地面的摩擦力成为反转的主要因素。