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因为,所以上式右边第一项:。而上式右边第二项可以写成:m→⊥·,其中表示垂直于当地磁力线方向的磁矩分量。这样写的理由是一个单位向量随时间的导数总是垂直于这个单位向量的,综上所述,我们得到:
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我们注意到,由于陀螺的进动,是一个近似周期变化的量,其变化频率等于进动频率,大约在数十赫兹量级。而表示的是随着陀螺在水平方向上的些许移动而感受到的磁力线方向的变化。由于陀螺的水平移动通常是很缓慢地(如受到气流引起的扰动等),我们肉眼即可以看到悬浮的陀螺在水平方向上来回移动频率大约在1赫兹量级,所以是一个很小的数,它随时间的变化也很缓慢(即也很小)。在应用数学上,这种快速周期变化的量乘以一个随时间缓慢变化的小量通常就被认为是零。因为如果我们考察变化了一个周期以后,还没有缓过神来,基本维持原来的数值不变,所以一半的时间里,是正的,一半的时间里,是负的,两者抵消,这样一个很快的周期下来,基本就没有变化了。虽然可能在这个周期内会有些起伏,但是由于这个过程发生的太快,在我们关心的时间尺度上(即陀螺在水平方向移动的时间尺度),综合看起来是没有变化的。这样我们就得到了:,即陀螺的磁矩沿着当地磁力线方向的分量不变,而开始我们也提到了陀螺磁矩的大小是恒定的,这样我们就得到了陀螺与当地磁力线的夹角是不变的这个结论(见图8.11)。
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经过这一番艰苦地推演,我们得到了什么呢?我们得到了一个很重要的结果,那就是陀螺在磁场中的势能不再可以用来表示。这是因为陀螺的磁矩已不再保持竖直方向,而是跟随磁力线的方向发生变化了,所以正确的势能表达式是:
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其中,mB表示陀螺磁矩沿着当地磁力线方向的分量(即),是个近似恒定值),B表示当地磁场的强度,啊哈!恩绍定理的魔咒就是在这里被击破。正因为陀螺的磁场势能不再是正比于磁场的某个分量,而是正比于磁场的总强度(),我们就有可能实现稳定悬浮了。因为没有哪个定理表明磁场的总强度不可以出现各个方向都是极小值的情况。实际上,Berry先生计算表明,一块半径为a的圆形大磁铁底座上方,高度为a/2到之间的磁场就具有中间强度最小,两旁强度略高的分布。所以陀螺就能再这么一个小区域内实现稳定悬浮。
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如果你还记得第7章逆磁悬浮的机制,那里我们得到了逆磁材料在外加磁场中的势能是:
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同样也是与磁场的总强度有关,从而破解了恩绍魔咒。你看,这两种迥异的磁悬浮方式,却有着异曲同工之妙,大自然热闹现象后面的门道是不是有着曲径通幽的意境呢?
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[1]. 王超,“不用电的悬浮陀螺”,《无线电》杂志2011年第11期。
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[2].据我所知,类似的陀螺驱动方式最早出现于关于磁悬浮陀螺的经典文献:Martin Simon,Lee Heflinger,S.L.Ridgway,“Spin stabilized magnetic levitation”,Am.J.Phys.65(4),P.286。
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[3].请读者朋友注意,在“动手实践”小节中我们将看到这个陀螺驱动装置的原理比上面所描述的要复杂,并且是个值得深入研究的未解之谜。
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[4].M.Berry,“The levitron:an adiabatic trap for spins”,Proc.R.Soc.Lond.A(1996)452,1207-1220.
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