不知道诸位留意过没:不转的陀螺,手指一松立刻躺平;可高速旋转起来,它非但不倒,歪着身子也只慢悠悠绕竖直轴画圈,像被谁扶着。我小时候一直以为里头藏了什么机关。
这挺反常识。日常觉得越重越易摔,可对转着的陀螺,转速比重量更要紧,转得越快越稳。根子在角动量守恒(conservatio momenti angularis),旋转体的转轴方向不会被外力瞬间扳动。重力铆足劲想推倒它,这股"倒"的冲动没变成下落,反被转译成绕竖直轴的水平旋转,即进动(precessio)。
数学上也妙:进动角速度反比于自转角速度。转速趋无穷,进动趋零,陀螺几乎纹丝不动。所以鞭子抽得越急站得越稳,正好拧着"越重越易倒"的直觉。下次手边有陀螺,不妨先松手看它摔,再转起来看它站。
玩过木陀螺的,应该都见过这光景罢。