想必大家都見過或者玩過磁懸浮地球儀、磁懸浮陀螺吧。借助磁場，陀螺或地球儀可以懸在空中并自如地旋轉。

但你知道嗎？這種磁懸浮技術曾一度被人們全盤否定！這是怎麼回事，又是誰讓磁懸浮“重見天日”？來和小編一起看看吧～

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不可能實現的懸浮？

大家小時候一定玩過家裡的磁鐵吧。無論磁鐵是大是小，形狀如何，總會有兩個磁極，并且同種磁極相互排斥，異種磁極相互吸引。

那你有沒有嘗試過把同種磁極上下相對，借助斥力讓上方的磁鐵懸浮起來呢？

小編小時候就曾經無數次地嘗試過，但無一例外，每次都以失敗告終。無論如何小心翼翼地擺放，上方的磁鐵不是被磁力推開，就是翻轉180度，使同種磁極吸在一起。

你可不要以為是小編手腳太笨，早在1842年，數學家塞缪爾·恩紹就證明了單一穩定磁場是無法維持一個穩定力學結構的。

用通俗的話講，就是隻用一組磁鐵是無法造出穩定磁懸浮結構的，上方懸浮的磁鐵會在瞬間傾覆下來。

為什麼會有這樣的情況發生呢？

其實原因很簡單，假設有一個光滑的半圓形“山峰”，現在我們要在山頂上放一個小球，并保證它一直立在山頂不滾下來。

理論上，這個任務是可以完成的，隻要保證小球被一點不偏地放在半圓形山的最頂峰即可，此時小球受到的重力與支持力平衡。

然而事實上，沒有人能完成這個任務，它難就難在了“一點不偏”上。現實中，無論多麼小心謹慎的人，或是多麼精準的機器都不能做到分毫不差，哪怕僅僅把小球放歪了一根發絲的距離，都會使小球滾落。

在生活中，有太多這樣的例子，比如理論上，靜止的自行車是可以不靠任何支撐立在地面上的，隻要保證車子完全豎直即可，但我們都知道這是不可能實現的。

今天我們講的磁懸浮也屬于這類問題，從表面上看，兩磁鐵之間的斥力可以與磁鐵自身重力抵消，達到平衡，但這種平衡是不穩定的，任何風吹草動都會讓它傾覆。

除非你能保證每次放置時，兩塊磁鐵都完全對齊，并保持水平，且周圍不能有一絲微風。

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“外行”也有新創造

講到這裡可能有些小夥伴會問：既然這種懸浮方式不可能實現，那磁懸浮地球儀又是怎麼回事呢？

大家還記得我們之前提到自行車的例子嗎？靜止的自行車固然無法自己立在地面上，但是騎起來的自行車卻十分穩定，甚至還有研究者發現，隻要自行車在前行，即便車上沒有人，也能保持很長時間的穩定。

聰明的小夥伴想必已經有了主意——如果磁鐵不停地運動起來，會不會也像自行車那樣能保持穩定呢？

20年前，在一個普通的美國小鎮上有一位名叫Roy Harrigan的發明怪人，也想到了這一點。

值得一提的是，他的高中知識是自學的，沒有受過專業的物理訓練，可以說在物理領域完全是個“外行”。

正是這位“外行”通過反複的實驗終于成功地利用同種磁極相互排斥的原理把一個高速旋轉的磁鐵懸浮了起來，第一個“磁懸浮小陀螺玩具”也随之誕生。

講到這兒，小夥伴們想必已經看出了門道，陀螺和地球儀之所以可以在磁場下懸浮，正是因為陀螺和地球儀不再是靜止的，而是一直在不停地旋轉。旋轉使得物體具有了穩定性。

此外，人們還發現，除了讓被懸浮的物體動起來外，也可以讓磁場“運動”起來。當我們把普通的靜磁場替換成不斷發生變化的交變磁場時，上方的磁鐵也能穩定地懸浮起來。

更奇特的是，如果把磁鐵放在交變的磁場上，磁鐵先會劇烈的抖動，然後漸漸穩定地懸浮在磁場上空并開始旋轉。穩定後陀螺旋轉的頻率幾乎與磁場變化的頻率相同，這種現象被稱為鎖頻。

一般變化的磁場由線圈産生，需要通入交變電流，這也是為什麼磁懸浮地球儀大多在通電時才能正常使用，斷電時很難保持穩定。

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變化中的穩定

講了這麼多，小夥伴們一定會疑惑，為什麼旋轉的物體會更加穩定呢？變化的磁場與靜止的磁場有什麼不同？

首先我們要提到進動的概念。

靜止的磁鐵在磁場中，一旦稍有歪斜，重力就無法與磁場的斥力平衡，在外力的作用下傾覆。

而磁鐵一旦像陀螺一樣高速旋轉起來，即便稍有歪斜，重力與磁場的斥力不平衡，它也不會瞬間傾覆，而是歪着頭一邊旋轉，一邊繞着圈，不停改變原來轉軸的方向，這種特殊的運動被物理學家稱為進動。

這是因為物體将要如何運動不僅取決于受力的情況，還與物體的初始運動狀态有關。

之前的小磁鐵是靜止的，因此在不平衡的重力和斥力作用下它很難支撐住，就會傾倒；而現在小磁鐵在不停地旋轉，初始狀态與之前完全不同，因此重力和斥力對它的作用效果自然也不相同。

在受力情況一樣的條件下，初始狀态不同會使未來演化情況不同的現象被數學家稱為微分方程的初值問題，十八世紀的數學家、物理學家、天文學家拉普拉斯就對初值問題頗有研究。

以上解釋了為什麼高速旋轉的物體能實現穩定的磁懸浮。不過，還有一個問題沒有被解決，為什麼不斷變化的磁場也能實現穩定的懸浮呢？

小磁鐵無法靠靜止的磁場懸浮是因為磁場是有方向的，永遠從N極指向S極。上方靠斥力短暫懸浮的小磁鐵隻要稍有傾斜，就會順着磁場的方向翻轉，上下兩磁體異種磁極相對，斥力轉變為吸引力，在一瞬間緊緊地吸在一起。

那麼如果磁場的方向不斷發生變化會發生什麼呢？

由于磁場的方向不斷發生變化，因此它不再具有明确的方向，變得更加對稱。

當上方小磁鐵稍微傾斜時，可能同樣會在磁場吸引下有翻轉趨勢，然而在下一個瞬間，磁場方向改變，是小磁鐵翻轉的吸引力瞬間變成斥力，把即将傾覆的小磁鐵又推了回去，使其維持在懸浮的狀态。

小磁體就這樣被不斷改變方向的磁場推來推去，此起彼伏，最終它會随着磁場同步地擺來擺去或是不停旋轉，并相對穩定地懸浮着，這在物理學上稱為受迫振動，也就是我們之前說的鎖頻。

像這樣變化中的穩定在工業和科研領域中十分常見，對于任何不穩定的系統我們都可以用這個方法實現相對精準的控制。

一種磁懸浮地球儀原理圖

讀到這裡，屏幕前的你有沒有什麼新點子、新發現呢？仔細觀察自己周圍，你能發現用這個原理維持穩定的更多例子嗎？

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