陀螺能一直旋转下去吗

金仲辉

讀者小宇在一档节目中看到有两个制造陀螺的企业比赛谁制造的陀螺旋转时间长.由此他想起了小时候喜欢玩的抽陀螺游戏.对此他产生疑问：“为什么陀螺能够长时间旋转而不倒下？是否和牛顿第一定律所描述的类似，在没有外力作用下，陀螺会永远旋转下去？为什么需要不断用鞭子抽打陀螺.陀螺才能够保持旋转？”

这是一个很好的问题.想回答这个问题.需要正确理解牛顿第一定律，牛顿第一定律是这样表述的：一切物体在没有受到力的作用时.总保持静止状态或匀速直线运动状态.要注意的是.定律中所说的“物体”是指质点或平动的物体.不涉及转动的物体.在之后的物理课程“简单机械”一章中.我们会学到杠杆平衡.所谓杠杆平衡是指杠杆处于静止或匀速转动状态，即一般物体在不受外力的情况下，还可以处于匀速转动状态，由此可看出.当一个物体（如陀螺）旋转起来时，若它不受外界的作用，它可以永远匀速转动下去.电视节目中的陀螺经过了特殊设计，受外力影响较小.因此可以长时间保持转动，但由于无法完全消除外力作用.因此最终还是会停止旋转，

由牛顿第一定律可知.要改变物体的静止或匀速直线运动状态，外界必须对它施以影响，这种外界的影响（或作用），也就是我们通常所称的外力.在外力的作用下，物体运动状态会发生变化.具体表现为运动速度的大小或方向发生变化.而对匀速旋转的物体而言.它的运动状态发生变化就表现为旋转速度大小或旋转方向发生变化.要想改变物体的旋转运动状态.也要给它施以力矩作用，那么，什么是力矩呢？在之后的物理课程“简单机械”一章我们会学到力臂的概念.力F到支点O的距离Z（如图1）叫作力臂.如果F是让陀螺旋转的动力，则l为动力臂：如果F是阻碍陀螺旋转的力，则l为阻力臂.力和力臂的乘积即为力矩.它的单位是N.m.

我们在儿时玩陀螺时.要用鞭子不断抽打它，才能使它不断旋转下去.用鞭子抽打陀螺.实际上就是改变陀螺的旋转运动状态，鞭子抽打陀螺产生的动力矩.会加速陀螺的旋转，但是，当我们停止抽打陀螺一段时间后.陀螺会在空气及地面摩擦力产生的阻力矩作用下停止旋转.

陀螺在高速旋转时.它的指向性非常稳定.将指示方向稳定的这个特征，应用于回转仪（如图2），可制成航海、航空的导航仪器，但是回转仪中的陀螺，无论是它的形状还是质量分布.都与玩具陀螺有很大的差别.

责任编辑 林洋