接下来我们看看有章动的情况下的定性分析。
就像欧拉-潘索情况下有潘索描绘,可以让我们直观地想象刚体的运动,拉格朗日-泊松情形也需要一种图像表示方式。
我们重点关注进动角速度的方向。
由(5.28)或(5.2),我们可以发现,当章动角逐渐变小到某个锐角,即章动角的余弦值逐渐变大到某一个正值时,我们可以发现进动角速度逐渐变小,变为零,然后反向,变大,直到章动角到达最小值后章动角速度反向,进动角速度也变减小,变为零,然后反向到与原先同向。
如果上述情况可以达成,那么进动角速度为零的临界章动角\(\theta_c\),由(5.2)有:
\(\theta_c = arccos(\frac{L_z}{I_3\omega_{30}})\)(5.44)
那么记x2、x3对应的角度为\(\theta_2\)、\(\theta_3\)
那么我们可以分类:
\(\theta_c>\theta_3>\theta_2\)(a)
\(\theta_3=\theta_c>\theta_2\)(b)
\(\theta_3>\theta_c>\theta_2\)(c)
\(\theta_3>\theta_c=\theta_2\)(d)
\(\theta_3>\theta_2>\theta_c\)(e)
我们现在关注自转轴在以固定点为球心的球面上划出的轨迹。
这个也不好用电脑画,只能再次用手了
抱歉各位,只能再看我的渣画了。
不妨设\(\theta>\theta_c\)时,进动逆时针,反之,顺时针。
那么有图像:
(实线表示\(\theta_2\)、\(\theta_3\)所对应的等章动角线,虚线表示\(\theta_c\)所对应的等章动角线,带箭头的实线即表示自转轴再以固定点为球心的球面上划出的轨迹)
欸等等,这里b,d情况是不是有点不对劲?为啥会出现突变,不是说不能突变吗?实际上这里并没有什么问题,此时进动角速度为零,那么轨迹的斜率,章动加速度比进动角速度当然不存在。
实际上,d反而是最常见的情况,接近直立的陀螺倒下来便是如此。这也解释了为什么陀螺不会倾倒。很多科普视频上说,重力给了个力矩,所以角动量沿着重力的力矩方向改变,而重力的力矩无z轴的分量,所以角动量的方向旋转改变,大小不变陀螺便不会倾倒。然而这是错的,如果陀螺倾倒,角动量某个分量大小增加,也满足。所以,这种解释仅适用于规则进动的情况。有章动的情况,定量计算就是拉格朗日-泊松情形的一般规律(5.22)。而定性解释,可以用上图理解。舒幼生先生的力学中给出了一个非常好的定性说明。如果进动角速度太小,那么由角动量的旋转所带来的角动量变化,将小于重力的力矩导致的变化,于是陀螺将会向下章动,形成重力力矩方向的角动量。而此时,由上文的讨论,进动角速度也同时增加,角动量矢量旋转导致的变化逐渐变得等于、大于重力的力矩导致的变化,于是陀螺开始减小向下章动的角速度,逐渐转而向上章动。这不仅解释了陀螺为何会倾倒,也解释了章动的产生。
时段 | 个数 |
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