冰上芭蕾舞演员为什么转得那么快

【分类】物理
【答案】当你看到优秀的冰上运动员在表演高速旋转的芭蕾舞动作的时候，一定会问：她们怎么滑得那么轻，转得那么快呢？
难道是因为冰面光滑吗？
玻璃表面比冰还要光滑，为什么冰刀在玻璃上就不能那样滑行呢？
有位科学家曾经做过一次这样的试验：一个体重50公斤重的人穿上冰鞋在冰面上滑动，开始时需要有15公斤的力量才能滑动起来
但是滑行起来以后，冰面对冰刀的阻力就越来越小，所需要的力量也越来越少了，从15公斤一直可以减少到2.5公斤、1.5公斤……于是人不必费多大力气就可以在冰上迅速地滑行了
冰面对冰刀的阻力为什么会变小呢？
经过研究，原来是这么一回事：冰面，用肉眼看来似乎很光滑
如果放在显微镜下去看，孰会发现它也是凸凹不平的
因此，冰刀在冰上滑行的时刻，必然产生摩擦
由于这摩擦而产生了热量
虽然热量是很微弱的，但是也使得刀刃所接触的冰的表面融化，而形成了一层极薄的水膜
由于这层水膜的作用，就减少了冰刀和冰面间的摩擦力，因此冰刀就能够轻快地滑进了
在玻璃的表面上就不会产生这种现象，因为玻璃的熔点比冰高几百倍，微量的热不能使玻璃熔化，自然冰刀也就不会在玻璃上那样轻快地滑行了
冰上芭蕾舞演员不但滑得快，旋转得也快
让我们看看运动员的表演动作吧：开始时，运动员张开两臂像银燕似地在冰上滑行，并由平滑变为转动，这时的转动速度是比较慢的
接着，她收拢两臂，紧紧地贴在胸前，同时伸直身子，并拢双足，于是她就迅速旋转起来
最后，运动员又重新张开双臂，转动速度也就随着慢下来
这是什么道理呢？
原来，这个冰上芭蕾动作的全过程遵循着这样一条自然规律：在一个封闭系统中，给予这个系统的动量矩守恒不变
动量矩的大小与物体的质量、角速度和离转轴距离的平方有关
如果在质量不变的情况下，缩短转动半径，那么根据动量矩守恒原理，角速度就会增大，转速就会加快
在不考虑其它因素影响的条件下，我们可近似地把运动员的动作看作是一个封闭系统，她的质量当然也是不变的
而当她收拢双臂时，就等于缩短了这个系统的转动半径
根据上述原理，角速度就必然增大，于是她就实现了优美动人的高速旋转动作
陀螺为什么转起来就能尖足而立，不转就会歪倒高速旋转的东西有一个特性，就足它能保持转轴的方向不变
这个特性就叫陀螺的稳定性
陀螺转起来以后总能保持着转轴向上，虽然它脚下很尖，却也不倒
陀螺的稳定性是转动惯性的一种表现
为了揭开陀螺稳定性的秘密，不妨再分析一下用纸板和火柴棒做的那种简易陀螺：它转起来以后，能尖足着地
这是因为，圆盘转起来以后，各部分15a都有了水平方向的速度
运动惯性要保护原速度的方向不变
对纸板的各部分来说，由于这个向心力是沿着水平盘面作用的，因而速度方向的改变，只限于在水平盘面内发生，并不会发生偏上偏下的变化
也就是转动的纸板部分都要保持在水平面内运动，使得转动平面和轴线的方向保持不变
当把旋转的陀螺抛向空中时，只在轴上加了力，没有在转动平面上加力，所以转动轴的方向不会改变
总之，陀螺的稳定性就是陀螺在高速旋转后，如不受外力作用，转轴在空间的方向不变，这个特性在各种机械上用途甚多
自行车便是向陀螺学习的一种机械：两个轮子就像两个陀螺，只有转起来才不倒，轮子转得越快，稳定性就越高，车就越不易倒
轮子转慢，稳定性就差
钻头旋转起来，有转动惯性，能保持它转轴的既定方向，打起孔来就不易歪
在风浪中颠簸的轮船，为了减少轮船的摇摆，人们在船舱的底部装上很重的飞轮，让它高速转动，由于飞轮能保持自己的转动轴线方向不变，轮船就有力地抵抗了风浪的影响
大家知道，惯性与质量有关，质量大，惯性就大
转动惯性也是这样，旋转体的质量大了，转动惯性也就会增大，因此，机器上的飞轮都作的比较重
由于飞轮的转动惯性大，使它转动超来以后，再改变它的转速就不那么容易――大飞轮比较容易保持均匀稳定的转速
这在许多机器上是极有用的，例如手扶拖拉机的发动机是柴油机，柴油机气缸中的四个冲程中，只有爆发冲程做功，柴油机使出的力总是一下一下的冲击力，曲轴的转动就会不均匀，甚至无法转动
有了巨大的飞轮情况就不同了，转动起来也就均匀多了
要使质量大的旋转体减速乃至停止转动，由于它的转动惯性很大，需要的阻力也就比较大
正像使飞驶的火车减速，由于其156惯性很大需要的阻力很大一样
根据作用力的原理，质量大的旋转体会对阻碍它转动的物体产生巨大的反作用力
利用这一点，可以使机械为我们做功：；中床、剪床上的大飞轮就能成为大力士
舰船在浩瀚的大海里，飞机在茫茫的天空中，航天器在无限的太空内，都需要随时知道自己的航向、姿势、位置和速度
根据陀螺的特性，人们制造了陀螺仪，让它来当向导
人造地球卫星上天以后，不能东倒西歪，任意翻滚，必须让它保持一定的姿态
这样，天线就应当总是对准地球
怎样让人造卫星的姿态稳定呢？
人们想到了利用陀螺使人造卫星绕着规定的轴总是指着规定的方向，这就保持了一定的姿态
但是，天线跟着转就不能对准地球了，怎么办？
就让天线和必要的部分沿着同一个轴反方向旋转，这样，天线就总是对准地球了
这就是人造地球卫星的“双旋稳定技术”

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