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D10 · 花样滑冰收手臂,为什么转得更快?

角动量守恒与转动惯量

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花样滑冰里有一个动作。运动员先张开手臂旋转。然后突然把手臂收回来。转速一下子就快了好几倍。

这不是技巧,是物理。原因叫角动量守恒。先说什么叫角动量。它等于"转动惯量",乘以"角速度"。

角速度好理解,就是转得多快。转动惯量,可以理解成"转起来有多费劲"。同样一个东西,质量离轴越远,转起来就越费劲。所以手臂伸开的时候,质量离轴远,转动惯量大。

手臂收回来的时候,质量离轴近,转动惯量就小。角动量守恒的意思是:这个乘积不变。既然乘积不变,转动惯量变小了,角速度就必然变大。举个数。

手臂展开的时候,转动惯量大约是十二千克平方米。收回来的时候,大约是三。缩小到四分之一。所以转速就得快四倍。

一圈的时间,从零点八秒变成零点二秒。那为什么角动量会守恒。因为转的过程中,几乎没有外力矩。冰面和冰刀之间的摩擦很小。

空气阻力也小。所以可以近似认为,外力矩为零。所以转速能有多快,其实早就被角动量定死了。她唯一能做的,是改变自己的转动惯量。

这里有一个反常的地方。她收手臂,转得更快了。但她的动能,也跟着变大了。动能等于角动量的平方,除以两倍的转动惯量。

转动惯量变小,动能反而变大。多出来的能量从哪来。从她自己的肌肉来。收手臂的时候,要克服往外甩的离心趋势,把手臂往里拉。

这个动作,就是在做功。所以她不只是在"改变姿态",她还在"往里做功"。这也是为什么,收手臂这个动作其实很费力。所以总结一下。

角动量守恒,决定了转速能有多快。收手臂做功,提供了额外的能量。想聊的在评论区说说。