讀初中物理的時候,我們知道物體的質量是物體慣性大小的量度,也就是說物體質量越大慣性越大,對兩個物體施加相同大小的外力,質量大的物體原本的運動狀態就越難被改變,舉個簡單的例子,超市裡有兩輛購物車,一輛是空的,另一輛是裝滿商品的,我們用同樣的力氣去推這兩輛購物車,裝滿商品的購物車明顯就要比空的購物車難推動。

同樣,物體在做旋轉運動的時候,也有一個慣性大小的量度,用來表徵物體旋轉運動狀態改變的難易程度,物理學上把這個量叫做轉動慣量,轉動慣量的大小不光和物體的質量有關還和物體的形狀以及旋轉軸位置有關,具體的計算方法公式可以參見《大學物理》或者《理論力學》,這裡就不展開了。我們這裡用一句簡單的話來概括,就是物體的質量越大,質量分佈離旋轉軸越遠,物體的轉動慣量就越大,對物體施加同樣的力矩就越不易轉動,或者說轉得就越慢。

我們對一個具有旋轉軸的物體施加一個力矩,物體就開始繞旋轉軸以一定的角速度旋轉,並具有一定的角動量,不考慮阻力,如果此時物體保持質量不變而改變形狀,使得質量分佈偏離旋轉軸,這時物體的轉動慣量變大,根據角動量守恆,物體的角速度就會變慢。

再舉個例子,很多小區的健身器材裏會有那種人站在上面可以扭腰的轉盤,如果你人站上去,然後讓自己轉起來,此時如果你伸開雙臂,你會發覺你人的轉速變慢了,如果你再放下雙臂,你人的轉速又變快了,這就是角動量守恆和轉動慣量變化所產生的原因。

再回到運動員跳水的問題上,跳水運動員從跳臺上跳下,雙腳蹬踏板的時候給自己施加了一個力矩使自己轉起來,如果運動員想讓自己轉速加快,只要雙手抱住膝蓋讓自己蜷縮成一團,這樣就減小了轉動慣量,轉動就加快,如果想讓自己轉速變慢,只要將身體打開,轉動慣量變大,轉動就變慢了。


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