旋转的陀螺

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  1958年10月11日,美国发射的一枚月球火箭失败了。一经追查,原来是上面的陀螺出了毛病。这枚火箭上装了一种陀螺导航仪。陀螺是在轴承上转动的,由于轴承中间有摩擦,使它转动不灵活,这样仪器就产生了偏差,使火箭向上仰了3.5度,结果导致火箭没有击中月球。
  普普通通的陀螺,怎么会有这么大作用呢?它又有什么来历呢?
  陀螺,其实很简单,它是同学们十分熟悉的玩具。它的老家在中国,从我国山西夏县新石器时代的遗址中,就发掘到了石制的陀螺。可见,陀螺在我国最少有四五千年的历史。
  在1700年前的晋代,我国还出现了一种有趣的玩具——竹蜻蜓。这种玩具18世纪传到欧洲后,被西方人称为“中国陀螺”。
  为什么把竹蜻蜓叫做“中国陀螺”呢?原来正式提出“陀螺”这个术语的,是19世纪中叶的法国物理学家傅科。在英语中,陀螺就是“回转体”,竹蜻蜓也可以说是一种陀螺。玩过陀螺的就会注意到:静止的陀螺,在地面是立不起来的;可是当它旋转起来以后,就立得很稳了。这是为什么呢?原来一个东西旋转起来以后,它就具有一种特性:保持旋轴方向不变。陀螺的这种倔强的脾气,科学家称为“定轴性”。高速旋转的陀螺,这个特性更明显。即使地面上高低不平,或者在斜面上,它也“稳如泰山”。而且,转速越高,立得越稳。
  我国传统的杂技艺术里有个“转碟”的节目很受观众喜爱:演员的双手舞动着用细长竿顶着的花瓷碟,借助手腕的娴熟技巧,让瓷碟高速旋转起来,同时瓷碟还在竿头摇摆着,这样一来,观众看到的瓷碟就像彩蝶飞舞了。
  那旋转着同时摇摆着的瓷碟为什么不会落下来呢?这里的关键是瓷碟在旋转,如果不转,碟子就会从竹竿上掉下来。要是只转不摆,又会失去对观众的吸引力,怎样让碟子且转且摆呢?这就要利用陀螺的回转效应了。瓷碟转动起来以后,有一根看不见的转轴,就像我们自制陀螺里的那根火柴棍,由于陀螺(这里是瓷碟)受到外力的作用,转轴便在起始位置附近做起了圆锥形运动,演员用娴熟的技巧使顶竿总是顶在转轴的中心,让那又转又摆的碟子落不下来,再利用顶竿转轴做起圆锥形运动,就使观众眼花缭乱了。
  杂技里的转碟、耍盘子、丢帽子都是利用陀螺这种怪脾气,才能玩出很多花样。科学家也是从杂技转碟的表演中得到了启发,制造了新式的陀螺仪。
  比如把它装在飞机上,事先让它的轴对准南北方向,然后让它高速旋转。这样,不管飞机如何改变航向,而陀螺轴总是指向南北方向,这就是绝妙的“指南针”,叫“陀螺罗盘”。
  1889年,奥地利军官奥波里首先将陀螺应用在军事上。他设计的世界上第一架“陀螺自动操纵舵”,安装在了鱼雷上。装有这种仪器的鱼雷,能准确无误地击中目标。1904年,德国发明家安许茨制成了航海陀螺罗盘,并将它装在潜艇上。由于磁罗盘在北极失去作用,而陀螺罗盘在极地也照常工作,所以航海陀螺罗盘在北极探险中起了很大作用。后来,世界上第一辆载人单轨车厢产生了,它能运载40人,这也得归功于它上面装有一个大陀螺,依靠它车厢才得以运行稳定。1914年,英国和俄国工程师不约而同地用同样原理,制成了前后各有一个轮子的“双轮汽车”。这种车被人称为“魔车”。这种轰动整个欧洲的魔车不倒的秘密原来也是上面装了一个大陀螺。
  从20世纪30年代开始,陀螺仪用到了航空上。之后,又被广泛应用到火箭、导弹及其他航天器上。
  编辑/李章
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