自然界中的角動量守恒

沈遠 呂倩 嚴然

摘要：角動量守恒是自然生活中常見的自然現象，了解它的存在與運用對解決生活中的實際問題大有裨益。本文主要通過生活中的實例和對角動量守恒原理的分析介紹，描述了自然界中的角動量守恒現象以及談談角動量守恒在自然界中都有著什么樣的形式，怎樣讓角動量守恒的作用在生活中發(fā)揮到極致。通過本文可以發(fā)現，合理利用自然界中的角動量可以幫助我們實現生活的簡單便利，以發(fā)揮自然物理的實際效益。

關鍵詞：自然現象；角動量守恒；原理與應用

1.1背景介紹

物理與我們的生活密切相關，每一個看似簡單的物理現象背后都包含著很多有趣的物理原理，例如角動量守恒，我們身邊每時每刻都在出現角動量守恒的現象，那么哪些現象包含角動量呢？這里我們就將根據角動量守恒的原理談談角動量守恒在自然界中都有著什么樣的形式或自然現象中存在的角動量守恒的原理。

2.1自然現象及其原理

2.1.1地球自然現象中的角動量守恒原理

人類世世代代生活在地球上，隨著探索的不斷深入，我們對地球的認知也越來越深入全面，其實，氣旋的方向與角動量守恒也有非常密切的關系，下面就將對氣旋規(guī)律中的角動量守恒進行簡單的分析和解釋。當地球以角速度 旋轉，C點為太平洋上的一個海島，因太陽輻射使島上的空氣受熱上升，南北兩極的空氣則流向C點補充。假設北方氣團的質量為 ，與地球自轉軸的距離為 ，則該氣團的角動量為 ，當它向南流向至C時，與地球自轉軸的距離為 ，因為 而角動量守恒，可得氣團的角速度變小，運動遲于地球。但南方質量為 的氣團移動后，它與自轉軸的距離 減小為 ，自然角動量增大，運動超過了地球，這樣在海島上相遇自然會向不同的方向運動，也就出現了我們所學習的北半球風的旋轉方向是逆時針而南半球風的旋轉方向為順時針的現象，從而形成不同的氣旋。地球上與此有異曲同工之妙的現象的還有很多，比如地球四季的形成是由于地球自轉軸指向同一個方向且這個方向上角動量守恒，地面風的偏轉、地球的自轉甚至太陽系的起源都可以用角動量守恒的原理來解釋[1]。

2.1.2手機中陀螺儀的角動量守恒原理

說到與我們生活息息相關的又必然離不開手機，角動量守恒在手機中也有著廣泛的運用。隨著信息化時代的快速發(fā)展，手機的功能愈發(fā)強大，陀螺儀作為一種高科技技術也開始在手機中發(fā)揮相當重要的作用，手機能夠導航、拍照防抖、能作為游戲的傳感器、用作輸入設備當做立體鼠標等等都是陀螺儀的功勞。陀螺儀又叫回轉儀，它是一類特殊的剛體定點轉動，由于沿定軸即圖中的旋轉軸轉動，轉子不會受任何的力矩作用，一旦轉動起來，圖中的陀螺儀幀、萬向坐標系都在圍繞旋轉軸轉動，與此同時轉子的角動量守恒，力矩不容易被改變，轉子的旋轉軸的指向也不會發(fā)生變化，轉子的轉動慣量、角速度越大，穩(wěn)定性越好，因此可以作為導航使用。

2.1.3行走時的角動量守恒原理

在生活中我們是否注意過這樣一個現象：為了保持身體平衡，走路時我們常需要隨身體運動幅度的變化擺動收手臂，其實這其中也包含著物理原理。我們設人的質量為m，選取人的質心與地面垂直的直線作為參考軸，身體最外側與參考軸的距離為 ，左腳向前邁出時離周軸會有橫向距離導致出現對軸角動量，相當于有了軸前速度 ，此時右腳就有了相對的軸后速度，假設我們不擺臂的話，對身體總角動量就沒有變化，于是身體有了一個繞參考軸順時針旋轉的角動量。而當左腳在地上而右腳向前邁進時，相應的人的身體具有逆時針旋轉的角動量。身體的角動量剛才還是順時針，現在就變成逆時針。根據角動量定理，角動量只要發(fā)生改變，就必須有力矩作用在系統上，所以腳底必須給身體一個讓其逆時針旋轉的力矩才能保持平衡，這也是走路時身體受到外力矩的唯一方式。因此，根植于我們潛意識中的走路方式始終是在維持身體的角動量守恒，當兩腿讓身體有順時針旋轉時，雙手就必須讓整體再有個逆時針旋轉，哪邊的腿往前邁，哪邊的手臂就必須往后擺，這樣才能讓整體角動量保持為零，走路也才能更穩(wěn)[2]。與人走路時保持身體平衡相類似的還有雙螺旋槳的直升機，其中一個螺旋槳代替了曾經尾翼上螺旋槳的作用，同樣兩個螺旋槳只有轉向不同的方向才能保持機身的平衡，達到角動量守恒。

2.1.4生活中常見的角動量守恒現象

不禁想起小時候常常羨慕那些能把自行車騎得飛快又敢脫把的人，不過現在才發(fā)現這其中也蘊含了角動量守恒的奧秘。速度越快車輪越容易準確沿軸轉動，不會產生左右方向上的力矩，車騎得很穩(wěn)，角動量也很容易守恒。

最后還想提一個關于揮桿擊球的例子：根據角動量守恒定律，轉動慣量增加，轉動速度會減小，轉動慣量減小，轉動速度會增加。在打棒球時下桿時胯部擰轉的同時雙臂靠近身體，使身體的轉動慣量減少，同時身體的轉動速度就會增加。擊球前應使身體與球桿成整體在同樣的揮桿平面、沿同樣的軸線轉動，這個整體轉動越快，則擊球距離越遠[3]。

3.1結語

其實生活中角動量守恒的例子還有很多，比如引起槍彈和炮彈自旋的來福紋和擲鐵餅時給鐵餅的自旋等，需要靠我們的火眼金睛去觀察、用科學的眼光去看待。綜上可見，角動量守恒確實是與日常生活有關、非常有趣而值得學習的物理現象。

參考文獻

[1]陳用.物理學中的角動量守恒與自然現象（香港教育學院）[EB/OL].https：//www.docin.com

/p-18873239.html，2009.5/2019.3.

[2]郝亞非.動量守恒定律和角動量守恒定律辨析[J].物理通報，2017（06）：108-111.

[3]評揮桿角動量守恒[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_4a475f1b0100y3wt.html，2012.3/2019.3.

[4]邵懷華，卓玉霖.陀螺進動中的“角動量不守恒”問題[J].物理與工程，2018，28（06）：39-42.

[5]武愛青.一種使用角動量守恒測量轉動慣量的裝置[J].科技創(chuàng)新導報，2016，13（02）：3+5.