为什么旋转的陀螺能直立不倒

根据出土的石器推断，陀螺已有5000年以上的历史，可算是最古老的民间玩具了。陀螺是个一头粗一头尖的轴对称物体。将陀螺的尖端支在地上，因为重心在支点的上方，手一松就立刻倒下。如果绕上细绳急甩出去，使它在地上旋转，再用鞭子抽打使它旋转不停，陀螺就能稳稳当当地直立不倒。可见，陀螺的神奇活力就来源于它的旋转运动。

陀螺

根据惯性原理可以推断：如果没有外力的干扰，绕一根轴旋转物体的旋转轴就会在空间中保持方向不变。这个结论从我们居住的地球就能得到证实。地球绕贯穿南北极的轴不停地旋转，旋转轴就总是指向北极星方向。旋转中的陀螺如果没有受到干扰，旋转轴也能永久保持直立，但干扰总是不可避免的。当陀螺受到干扰之后，旋转轴偏离了垂直轴时，陀螺的重力与地面对尖端的支持力就不在同一条直线上。如果物体不旋转，重力对支承点的力矩就促使物体朝力矩的作用方向倾倒。但它无法使旋转中的物体倾倒。因为旋转运动的惯性，力矩的作用只能使旋转轴朝水平方向偏转。在持续的力矩作用下，旋转轴就在空间中围绕垂直轴画出一个圆锥面，这种现象叫作陀螺的进动。陀螺转速很快时，旋转轴的偏转角度极小，圆锥运动几乎和绕垂直轴的旋转重合。如果停止抽打，陀螺的转速逐渐变缓时，就能清楚地观察到这种进动现象。转速愈小，扰动引起的偏转角度就愈大。待转速很慢时，陀螺就完全倒下了。

地球旋转轴

抖空竹是另一种传统的陀螺游戏。空竹分为单轮和双轮。双轮空竹两头都有圆盘对称安装，两边的重力矩方向相反互相抵消，空竹的旋转轴就能保持方向不变。抖双轮空竹的人可站在原地不动。单轮空竹只有一头装有圆盘，圆盘的重力矩使空竹产生进动。抖单轮空竹的人必须随着空竹在原地打转，空竹才不会从线上掉下来。

抖空竹

利用旋转运动的惯性使旋转轴保持方向不变，这一现象也在实际生活中得到应用。比如，让射出的枪弹或炮弹旋转，就能避免弹丸在飞行中翻筋斗，从而提高射击的精度。又如，太空中绕对称轴旋转的人造地球卫星可保持姿态稳定。中国的第一颗人造地球卫星“东方红一号”就是利用旋转达到稳定的自旋卫星。（刘延柱）