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将圆板外延为包括O点的刚体,O点和圆板与地面接触点P是两个瞬时速度为零的点,它们的连线即为刚体瞬时转轴,这与所得ω方向一致.
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圆板自转角动量Ls与ωs同向,进动角动量LΩ与Ω同向,大小分别为
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则瞬时角动量为
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圆板受重力mg,轻杆水平拉力T和地面对板的作用力N.圆板质心C无竖直方向运动,N的竖直向上分量必为
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C作匀速圆周运动,N的水平切向分量为零.C的向心加速度由T和N的水平径向分量N联合产生.N∥相对O点的力矩为圆板进动提供力矩,得
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例26 翻转陀螺.
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形如图5-63所示的对称陀螺,称为翻转陀螺.令其大头朝下在地面上绕对称轴转动,若转轴偏离竖直方向,不仅会产生绕竖直方向的进动,而且还会整体朝下翻倒,使得小头着地旋转,不再翻倒.如何解释这一现象.
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解 陀螺与地面间实为面接触,大头朝下时接触面较大,受到地面的摩擦力不对称.图5-63转动状态中,地面合摩擦力水平朝外,相对于陀螺质心C形成图中用虚线箭头指示方向的力矩,陀螺对称轴随即快速朝竖直方向偏转.这样的偏转便是陀螺翻倒的原因.翻转后,陀螺小头着地转动,与地面接触面小,不对称的合摩擦力很小,陀螺不再翻倒.
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图 5-63
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例27 地球的进动与章动.
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在地心系中地球作定点转动,自转轴与太阳相对地球运动轨道(黄道)平面的法线方向有θ=23.5°的夹角,试据此说明地球的定点转动中必定会有进动,同时又可能会出现章动.
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解 地球并非严格的球体,而是赤道稍向外的旋转椭球体.太阳在图5-64所示位置时,地球赤道附近两个对径部位A,B受太阳引力FA,FB,必定有FA>FB.类似的这种差异,使地球各部位受太阳引力相对地心O的合力矩垂直于黄道面法线与地球自转轴所确定的平面.这一合力矩使地球自转角动量产生图示方向的进动,自然也可能形成章动.
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月球与地球相距更近,月球给地球的引力对地球进动和可能出现的章动影响更大.
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图 5-64
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实测结果,地球进动周期约为2.6万年.章动也是存在的,周期约为19年.我国古代历法以19年为一章,译名“章动”源于此.
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5.4.4 刚体平衡
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