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| 2007/05/08 19:00:28 | ||
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科學家對物體在運動中的穩定性特別有興趣,他們很快發現旋轉是運動中的物體取得穩定性的重要因素。但是怎麼精確地描述和規範它呢?這就要多費點心思了。
在觀察了前面敘述的第4到第7個例子所產生的現象後,好管閒事的科學家就想出一套理論來解釋這些現象。為此,他們還發明了一個唬人的新名詞叫做「角動量」。你們不要怕,「角動量」的觀念很簡單的,比解釋「維他命」容易多了。
任何一個旋轉的堅硬物體都具有一種能量叫「角動量」,它是這個物體的質量和運動速度的乘積。
怎麼計算「角動量」呢? 很簡單。任何堅硬的物體在旋轉時一定有一個旋轉軸,物體是對這個軸旋轉的。如果我們想像中把這個物體依照旋轉軸的距離遠近分成很多小塊,每個小塊都有不同的質量,當然也有不同的速度(離旋轉軸越遠的速度自然越快),我們就把它的質量和它的速度這兩個數值乘起來得到一個乘積。然後我們把所有這些小塊的乘積通通加起來,就是這個堅硬物體的「角動量」了。
你一定會問,到底要分成幾塊來計算呢?答案是,那當然是越多越好。勤勞又有耐心的就多分幾塊,計算的結果比較精確;懶惰又沒耐性的就少分幾塊,計算省事些,誤差大一點也就算了,世界上的事原本就沒有完美的,只要誤差在你能夠接受的範圍之內。 你看,所有的計算這就搞定了,多簡單!
但是且慢,「角動量」除了有數量的大小,還具有方向的性質。「角動量」的方向就是旋轉軸的方向。旋轉軸有兩頭,一頭的方向為正,另一頭為負。那一頭為正就由旋轉的方向來決定。你用右手握住旋轉軸,四個手指彎曲的方向和旋轉的方向一致,然後把大拇指翹起來,大拇指指的那一頭就是正方向,旋轉軸的另一頭,自然就是負方向了。慣用右手的人,即使兩瓶啤酒下肚,也不會搞錯。左撇子就得小心了!沒辦法,誰叫你們是少數,科學也是講民主的。不要不服氣,老美的「右」(right)就是「對」,所以用左手本來就是「錯」的。
好了,「角動量」解說完畢。你看,多簡單。花同樣的時間,你連「維他命A」都還沒有搞清楚。
科學家經過一番努力後,得到下面的結論: A.任何旋轉的堅硬物體都有「角動量」; B.旋轉的物體的質量越大,「角動量」越大; C.物體旋轉的速度越快,「角動量」越大; D.堅硬的物體如果具有足夠的「角動量」(註:還有一些其他條件在此省略),就是穩定的。「角動量」越大,穩定性越高; E.換言之,任何堅硬的物體如果「角動量」太小,都是不穩定的; F.如果沒有任何外力影響,一個堅硬物體的「角動量」永遠不會改變。
這最後的一點F是非常、非常重要的,這是古人的一項重大發現。物理學家稱它為「角動量不變定律」(Conservation of angular momentum)。
為了這個偉大的定律,在舉了七個例子之後,我們再看下面兩個例子。
8.我想大家都玩過在桌上旋轉硬幣的遊戲。把硬幣在桌上快速的旋轉,快到無法分出頭和尾,然後要大家賭倒下時面朝上的是頭還是尾。輸的人要不請客,要不就是出力跑腿。我們看到硬幣在桌上飛快的旋轉,它是非常穩定的,因為它有很大的「角動量」。但是受到空氣阻力的影響,旋轉的速度越來越慢(F),「角動量」也越來越小(C),穩定性越來越低(D),終於不能抵抗外力,失去穩定性(E),開始改變姿態,開始搖擺,最後靜止平躺在桌上,成為靜態的穩定。
9.YST 是運動迷,喜歡各種運動,其中一樣是溜冰,YST 是關穎珊的忠實觀眾。我們都知道最令溜冰觀眾著迷的就是旋轉。尤其最後結束前的旋轉快到見影不見人的地步,把觀眾的情緒帶到最高潮。各位網友有沒有發現一點,那就是在瘋狂旋轉的時候溜冰者的雙手總是高高的舉起或是緊緊地抱在胸前。為什麼?
我們看到溜冰選手在開始旋轉的時候雙手是盡量向外伸展的,因為離開旋轉軸越遠獲得的「角動量」就越大。當她無論如何用力地扭動身體也無法獲得更大的旋轉速度的時候,她知道她已經無法再增加「角動量」了。於是她把她的雙手從向外伸開的姿勢收回來,她選擇高高地舉起或是緊緊地抱在胸前,反正是要盡量地靠近旋轉軸。在沒有外力的影響下(冰刀和冰之間的摩擦力是很小的),總「角動量」不會變(F),她的體重也沒有改變,為了彌補縮回來的手臂所損失的「角動量」,她旋轉的角速度立刻就增加了,到達了顛峰,令我們為她瘋狂。真是好聰明呀!
想來大家現在已經相信「穩定性」是一個非常重要的東西,如果還有網友和YST 的前女友一樣不講理,說什麼「我又不玩不倒翁、不玩飛盤、不玩陀螺、不騎腳踏車、不看美式足球、甚至不看關穎珊溜冰,「穩定性」與我何干?」 好吧,YST 就拿出吃奶的力氣舉第十個例子,學乾隆皇帝做「十全老人」,咱就做個「十全網友」,舉第十個例子,教你必須承認「穩定性」的重要,除非你不要做地球人。
10.地球的運行是穩定的,因為地球有自轉。雖然地球自轉的角速度很慢,二十四小時才轉一圈,但是地球的質量非常、非常大,所以相乘之下,地球的「角動量」就非常大了,因此穩定性非常高,這一點是極為重要的。譬如阿扁全家從台南搬到台北,地球自轉的速度就沒有改變。其實即使在赤道附近的居民全部發瘋似的搬到南極和北極居住,地球自轉速度即使快了一丁點兒,這個差別也是測不出來的。關穎珊把雙手縮回來,旋轉速度就會突然增加很多,那是因為她的手臂質量和全身質量有相當高的比例;赤道上所有人的質量加起來和地球的質量不成比例,簡直是微不足道,因此通通跑到南北極也不會造成影響。關穎珊雖然轉得比地球快很多,但是地球的質量比關穎珊大太多太多了。 想想看,如果地球人一搬家,地球自轉的速度就改變,那還得了!
現在我們需要更進一步來看這個問題。我們知道地球繞著太陽轉,地球運動的軌跡在宇宙形成一個平面。地球又自己旋轉,旋轉軸就是連接北極和南極的這條直線,地球的旋轉軸和運動軌跡的平面並不是垂直的,而是有二十二度的傾斜。由於有了這二十二度的傾斜角,地球上才有了春夏秋冬四季。因為地球是非常穩定的,所以千萬年來不管被小行星撞過多少次、被彗星的尾巴掃到多少次,地球的姿態都沒有改變,還是維持這二十二度的傾斜角。這個角度只要改變一度甚至半度,地球的氣候分佈就會大不相同,地球上所有的生物都會面臨不可預測的災難。
感謝玉皇大帝、上帝耶穌、真主阿拉,地球運行的狀態是非常、非常穩定的!
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| ( 時事評論|國際 ) |










