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文 | 魔力科學小實驗，本文為原創，轉載請注明來源。

北京時間2021年12月9日15點40分，“天宮課堂”第一課在距離地面400公裡的太空正式開啟。神舟十三号“感覺良好”乘組航天員翟志剛、王亞平、葉光富變身“太空教師”，在中國空間站精彩開講，并面向全球同步直播。

毫無疑問，這是迄今為止，孩子們上過的最貴的、最高大上的一堂“網課”了。

“上課”伊始之際，航天員葉光富演示了在太空轉身，嘗試了很多辦法都沒成功，最後以手臂畫圈的方式得以實現。轉身不應該是腳的事嗎？與手何幹？

隻因為那裡不是地球，而是太空，在微重力環境下，舉手投足都異常艱難。

一起來回顧一下這個難得一見的瞬間：

幫助航天員完成轉身動作的是角動量！什麼是角動量？王亞平說的生活中還有很多類似的現象，又有哪些？這正是今天實驗要探讨的主題。

實驗目的

理解角動量的概念，認識生活中角動量存在的現象

實驗材料

熱熔膠槍、自愈墊闆、硬紙闆

圓規、雕刻刀、指尖陀螺（2個）

操作步驟

1.用圓規在硬紙闆上畫一個直徑約15cm的圓。

2.将紙闆上的圓切下來，得到一個圓形紙闆。

3.在紙闆圓心處的正反兩面各粘一個指尖陀螺。

4.紙闆扶正立于桌面，同向快速撥動兩個指尖陀螺。

5.用同樣的辦法異向撥動兩個指尖陀螺。

現象及原理

通過上面的實驗我們發現：異向撥動兩個陀螺，紙闆瞬間倒下。同向撥動兩個陀螺，紙闆在桌面旋轉一段時間才倒下。

異向撥動：

同向撥動：

同向撥動兩個指尖陀螺時，兩個陀螺的角動量方向相同，互相疊加。忽略軸承與桌面的摩擦力，陀螺沿轉軸方向的角動量守恒。在重力矩的作用下，為了保持軸向角動量不變，陀螺發生進動，由于兩個陀螺轉速較快，而且是二者疊加，所以進動的角速度很慢，紙闆能立在桌面一段時間。異向撥動兩個陀螺時，二者的角動量方向相反，互相抵消，陀螺的進動作用相互抵消，紙闆應聲倒下。

實驗示範視頻

BGM: MusicLFiles - The Beauty Of Future Technology

拍攝/剪輯：科學奶爸

什麼是角動量及角動量守恒

角動量通俗地講就是轉動慣量與角速度的乘積，也叫動量矩，它相當于物體轉動中的動量。角動量是一個比較抽象的概念，我們隻要大緻理解為這是一個跟物體質量和轉動速度有關的物理量就可以了。

既然是轉動，那麼跟方向一定有關。如何确定角動量的方向呢？這個很簡單，用右手定則即可判定：右手做個點贊的姿勢，四指指向轉軸旋轉的方向，此時大拇指所指的方向就是角動量的方向。

以此類推，比如陀螺旋轉時，如果陀螺是逆時針旋轉，那麼角動量方向是向上的，如果陀螺順時針旋轉，角動量是向下的。

如果一個物體沒有力矩的作用（即物體不受力的作用，或者作用力過旋轉軸時），物體的角動量保持不變，這種狀态稱為角動量守恒。

舉個常見的例子：滑冰運動員在原地旋轉時，通常都會把張開的雙臂收回來，此時轉速将會加快，旋轉也會更持久，就是因為轉動慣量變小，而角動量沒有改變的原因（即角動量守恒）。

花滑運動員 / 圖片源于網絡，侵删

航天員葉光富在空間站裡“直立”于艙内（實際上是懸浮），用右臂快速畫圈，此時轉軸就是自己的身體（逆時針轉動），角動量朝上。由于微重力環境，在不接觸艙壁及周圍抓手的時候，航天員呈懸浮狀态，空氣阻力小到忽略不計，此時航天員就處在角動量守恒的狀态。

跑起來的自行車為何不容易倒

騎過自行車的小夥伴們都知道，自行車騎得越快越穩，反而速度慢下來更容易傾倒，這個可以用角動量守恒來闡釋。

簡單理解就是自行車具有一定速度後，車輪具有轉動的角動量，在車子偏向一側時，重力産生的力矩轉變為車輪的進動，車輪繼續轉動而不傾倒，表現為轉彎。

自行車輪旋轉 / 圖片源于網絡，侵删

繞軸旋轉示意 / 圖片源于網絡，侵删

當然，自行車的問題比較複雜，角動量隻是其中一部分。與平衡也有着密不可分的關系，那是另一個話題了。

角動量守恒的應用

現代的陀螺儀都是根據角動量守恒原理制作出來的，它是一種運動狀态檢測裝置。不僅可以作為指示儀表，而更重要的是它可以作為自動控制系統中的一個敏感元件，即可作為信号傳感器。

比如，智能手機裡就有它的存在，所以打遊戲時，通過調整手機角度就能控制方向。

陀螺儀的工作原理是：在一定的初始條件和一定的外在力矩作用下，陀螺會在不停自轉的同時，還繞着另一個固定的轉軸不停地旋轉，産生進動。

陀螺儀在科學、技術、軍事等各個領域有着廣泛的應用。在飛機、輪船上都要安裝陀螺儀來保持平衡。此外，回轉羅盤、定向指示儀、炮彈的翻轉都要利用陀螺儀發揮重要作用。

看完今天的實驗，是不是感覺特别燒腦，沒關系，據說腦袋就是經常使用才能更靈泛。現在科爸有一個更燒腦的問題：

我們生活的地球無時無刻不在轉動，那麼，地球的角動量是守恒的嗎？咱們評論區見~

我是一名理工碩士奶爸，愛生活、愛科學，陪娃做了400多個“魔力科學小實驗”。關注訂閱我，每天3分鐘，陪孩子在家做個小實驗，培養孩子的科學素養！

THE END

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