自然界中的角动量守恒

沈远 吕倩 严然

摘要：角动量守恒是自然生活中常见的自然现象，了解它的存在与运用对解决生活中的实际问题大有裨益。本文主要通过生活中的实例和对角动量守恒原理的分析介绍，描述了自然界中的角动量守恒现象以及谈谈角动量守恒在自然界中都有着什么样的形式，怎样让角动量守恒的作用在生活中发挥到极致。通过本文可以发现，合理利用自然界中的角动量可以帮助我们实现生活的简单便利，以发挥自然物理的实际效益。

关键词：自然现象；角动量守恒；原理与应用

1.1背景介绍

物理与我们的生活密切相关，每一个看似简单的物理现象背后都包含着很多有趣的物理原理，例如角动量守恒，我们身边每时每刻都在出现角动量守恒的现象，那么哪些现象包含角动量呢？这里我们就将根据角动量守恒的原理谈谈角动量守恒在自然界中都有着什么样的形式或自然现象中存在的角动量守恒的原理。

2.1自然现象及其原理

2.1.1地球自然现象中的角动量守恒原理

人类世世代代生活在地球上，随着探索的不断深入，我们对地球的认知也越来越深入全面，其实，气旋的方向与角动量守恒也有非常密切的关系，下面就将对气旋规律中的角动量守恒进行简单的分析和解释。当地球以角速度 旋转，C点为太平洋上的一个海岛，因太阳辐射使岛上的空气受热上升，南北两极的空气则流向C点补充。假设北方气团的质量为 ，与地球自转轴的距离为 ，则该气团的角动量为 ，当它向南流向至C时，与地球自转轴的距离为 ，因为 而角动量守恒，可得气团的角速度变小，运动迟于地球。但南方质量为 的气团移动后，它与自转轴的距离 减小为 ，自然角动量增大，运动超过了地球，这样在海岛上相遇自然会向不同的方向运动，也就出现了我们所学习的北半球风的旋转方向是逆时针而南半球风的旋转方向为顺时针的现象，从而形成不同的气旋。地球上与此有异曲同工之妙的现象的还有很多，比如地球四季的形成是由于地球自转轴指向同一个方向且这个方向上角动量守恒，地面风的偏转、地球的自转甚至太阳系的起源都可以用角动量守恒的原理来解释[1]。

2.1.2手机中陀螺仪的角动量守恒原理

说到与我们生活息息相关的又必然离不开手机，角动量守恒在手机中也有着广泛的运用。随着信息化时代的快速发展，手机的功能愈发强大，陀螺仪作为一种高科技技术也开始在手机中发挥相当重要的作用，手机能够导航、拍照防抖、能作為游戏的传感器、用作输入设备当做立体鼠标等等都是陀螺仪的功劳。陀螺仪又叫回转仪，它是一类特殊的刚体定点转动，由于沿定轴即图中的旋转轴转动，转子不会受任何的力矩作用，一旦转动起来，图中的陀螺仪帧、万向坐标系都在围绕旋转轴转动，与此同时转子的角动量守恒，力矩不容易被改变，转子的旋转轴的指向也不会发生变化，转子的转动惯量、角速度越大，稳定性越好，因此可以作为导航使用。

2.1.3行走时的角动量守恒原理

在生活中我们是否注意过这样一个现象：为了保持身体平衡，走路时我们常需要随身体运动幅度的变化摆动收手臂，其实这其中也包含着物理原理。我们设人的质量为m，选取人的质心与地面垂直的直线作为参考轴，身体最外侧与参考轴的距离为 ，左脚向前迈出时离周轴会有横向距离导致出现对轴角动量，相当于有了轴前速度 ，此时右脚就有了相对的轴后速度，假设我们不摆臂的话，对身体总角动量就没有变化，于是身体有了一个绕参考轴顺时针旋转的角动量。而当左脚在地上而右脚向前迈进时，相应的人的身体具有逆时针旋转的角动量。身体的角动量刚才还是顺时针，现在就变成逆时针。根据角动量定理，角动量只要发生改变，就必须有力矩作用在系统上，所以脚底必须给身体一个让其逆时针旋转的力矩才能保持平衡，这也是走路时身体受到外力矩的唯一方式。因此，根植于我们潜意识中的走路方式始终是在维持身体的角动量守恒，当两腿让身体有顺时针旋转时，双手就必须让整体再有个逆时针旋转，哪边的腿往前迈，哪边的手臂就必须往后摆，这样才能让整体角动量保持为零，走路也才能更稳[2]。与人走路时保持身体平衡相类似的还有双螺旋桨的直升机，其中一个螺旋桨代替了曾经尾翼上螺旋桨的作用，同样两个螺旋桨只有转向不同的方向才能保持机身的平衡，达到角动量守恒。

2.1.4生活中常见的角动量守恒现象

不禁想起小时候常常羡慕那些能把自行车骑得飞快又敢脱把的人，不过现在才发现这其中也蕴含了角动量守恒的奥秘。速度越快车轮越容易准确沿轴转动，不会产生左右方向上的力矩，车骑得很稳，角动量也很容易守恒。

最后还想提一个关于挥杆击球的例子：根据角动量守恒定律，转动惯量增加，转动速度会减小，转动惯量减小，转动速度会增加。在打棒球时下杆时胯部拧转的同时双臂靠近身体，使身体的转动惯量减少，同时身体的转动速度就会增加。击球前应使身体与球杆成整体在同样的挥杆平面、沿同样的轴线转动，这个整体转动越快，则击球距离越远[3]。

3.1结语

其实生活中角动量守恒的例子还有很多，比如引起枪弹和炮弹自旋的来福纹和掷铁饼时给铁饼的自旋等，需要靠我们的火眼金睛去观察、用科学的眼光去看待。综上可见，角动量守恒确实是与日常生活有关、非常有趣而值得学习的物理现象。

参考文献

[1]陈用.物理学中的角动量守恒与自然现象（香港教育学院）[EB/OL].https：//www.docin.com

/p-18873239.html，2009.5/2019.3.

[2]郝亚非.动量守恒定律和角动量守恒定律辨析[J].物理通报，2017（06）：108-111.

[3]评挥杆角动量守恒[EB/OL].http：//blog.sina.com.cn/s/blog_4a475f1b0100y3wt.html，2012.3/2019.3.

[4]邵怀华，卓玉霖.陀螺进动中的“角动量不守恒”问题[J].物理与工程，2018，28（06）：39-42.

[5]武爱青.一种使用角动量守恒测量转动惯量的装置[J].科技创新导报，2016，13（02）：3+5.