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为什么花样滑冰运动员快速转圈时要收缩身体?

一个小孩双手左右伸直平举哑铃,坐在转椅上慢慢地转动着。当他突然将双手收拢紧靠身体时,发现自己的转速明显加快了。没有人推他,仅仅是自己把手臂收缩回来,为什么转动的速度就会变化呢?

我们不妨先从门的开关说起,更容易理解其中的道理。门可以绕着转轴转动,通常开门时我们的力是垂直于转动轴的。你可以试试:如果向下用力作用在门把手上(力的方向平行于转动轴),或者使力的方向指向转动轴,门都不会转动起来。

开门的简单事实包含了很多力学原理。我们至少可以总结出这样一个结论:如果作用力平行于转轴,或者指向转轴,则作用力对门的转动没有影响。当然,可以把门换成其他物体。

在上述小孩转动的问题中,他所受到的外界作用力只有重力和地面对椅子的支承力,且这些力都与转轴平行。根据我们前面的结论,这些力对转动没有影响,即小孩在转动过程中,某个转动的量开始是多少,后来还是多少,否则就是“有影响”的。但是在小孩收拢手臂的前后,转动的速度很明显起变化了,那么,在转动过程中,能代表“系统的转动”的某种不变的量究竟是什么呢?

先分析小孩转动问题中的有关物理量的变化。在小孩收拢手臂的前后,其现象是:哑铃的质量不会变,但它与转轴的距离变小了,所以整个系统的转动变快了。

而前面的分析说明存在不变化的量,那我们自然容易想到:转动速度与距离分别起变化了,那么它们的和会不会是不变的呢?不可能!因为这两个量的单位不同,不能相加。那么“转动速度与距离的乘积”会不会是不变的呢?如果你这么思考,那么恭喜你,你猜对了!你所猜测到的结论其实就是物理学中的“角动量守恒定律”,在力学中则称为“动量矩守恒定律”。

有了上述结论,就很容易理解花样滑冰运动员快速转圈时为什么收拢四肢:运动员先张开双臂缓慢转动起来,冰面上的摩擦力很小,基本对转速没有影响,而重力和支撑力与旋转轴平行,对系统的转动也不起作用;根据“转动速度与距离的乘积”不变的“角动量守恒定律”,把四肢收拢,就相当于减小了与转轴的距离,转速自然就会加快。

【试一试】怎样滑冰

如果有机会滑冰,你可以试一下:如果脚向正后方蹬,身体几乎不会前进;而脚向斜后方蹬时身体才前进。因为冰面很滑,向斜后方蹬时,冰刀是横向运动,冰面才可能提供足够的力让运动员前进。

【知识点】卫星消旋

人造卫星的悠悠(YO-YO)消旋系统是向外甩出两个绳系小球,旋转的卫星的转速就会慢下来。等卫星降到一定的转速时,切断连接绳子,就实现了卫星的消旋。这一过程与滑冰运动员收缩身体转速加快正好相反。