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【物理原理】冬奥会里的物理(二):花样滑冰与角动量守恒

2022-02-09 12:19:24 发布人:杨国荣 819

【物理原理】冬奥会里的物理(二):花样滑冰与角动量守恒 

2022-01-19 21:30

第二期的《冬奥会里的物理》,咱们讲冰雪赛场上最优美的运动——花样滑冰

花样滑冰是一项集优雅,舞姿以及体育技巧于一体的极具观赏性体育项目,选手往往在优美的音乐和高度的滑行中做个各种高难度的动作。

花样滑冰里最有趣的物理现象是:运动员原地旋转时,双手展开时转速不快,但将手收近身体时旋转速度会越来越快这是为什么?

这里面涉及到的物理概念有:角速度角动量角动量守恒

No1. 角速度

角速度是 圆周运动中质点在Δt时间内转过的角为Δθ,即为描述物体绕圆心转动的快慢的物理量,用符号ω表示。

No2. 角动量

角动量是指质点动量p对O点之动量矩(通常称为角动量),简记为L。当刚体绕定轴转动时,其角动量等于:

其中的 J为刚体绕轴的转动惯量,有时也用 表示。这里需要强调的是,虽然不同形状的刚体的转动惯量计算方法不同,但从下表能看出, 转动惯量与旋转半径r有关,r变大时,转动惯量也变大。

No3. 角动量守恒

如果物体所受合外力矩等于零,或者不受外力矩作用,物体的角动量保持不变,这个结论叫做角动量守恒

用以上原理,咱们来解释花滑旋转模型:

在光滑的冰面上旋转起来时,若忽略摩擦力、空气阻力,那么初始的角动量视为固定值,初始手臂伸展转动惯量I。在身体收紧时,就是将旋转半径r变小的过程,即转动惯量变小,根据角动量守恒,角速度自然就变大,所以就转的越来越快啦!

这个神奇的原理,不懂滑冰的人也可以体验一下:

一个人坐在能绕轴转动的凳子(转台)上,手握哑铃或其他重物,开始时平举双臂,使人和凳子一起以某固定角速度转动起来。然后人迅速收缩双臂,这时你会发现人转的更快了!

值得一提的是,在去年12月9日的中国空间站《天宫课堂》上,航天员叶光富也做了一个角动量实验;

张开双臂,转的慢;缩回双臂,转的慢。

在失重环境中转动没有摩擦力影响,这个实验更加容易成功,这可能是世界上最标准的角动量守恒实验了,好羡慕哦~

借用航天员王亚平的话结束本期文章:2020北京冬奥会就要到了,一起来关注花滑运动员们的精彩表现吧!

文章来源于物理王大师 ID: Chris-Wang1101,转载旨在分享,如有侵权请联系删除。

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