进动

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进动本为物理学名词,一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转,这种现象称为进动。进动(precession)是自转物体之自转轴又绕著另一轴旋转的现象,又可称作旋进。在天文学上,又称为「岁差现象」。

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目录

简介

进动(precession)是自转物体之自转轴又绕着另一轴旋转的现象,又可称作旋进。在天文学上,又称为“岁差现象”。常见的例子为陀螺。当其自转轴的轴线不再呈铅直时,会发现自转轴会沿着铅直线作旋转,此即“旋进”现象。另外的例子是地球的自转。对于量子物体如粒子,其带有自旋特征,常将之类比于陀螺自转的例子。然而实际上自旋是一个内禀性质,并不是真正的自转。粒子在标准的量子力学处理上是视为点粒子,无法说出一个点是怎样自转。若要将粒子视为带质量球状物体来计算,以电子来说,会发现球表面转速超过光速,违反狭义相对论的说法。

常见的例子为陀螺。当其自转轴的轴线不再呈铅直时,会发现自转轴会沿着铅直线作旋转,此即“旋进”现象。另外的例子是地球的自转。地轴进动方向与自转方向相反。

对于量子物体如粒子,其带有自旋特征,常将之类比于陀螺自转的例子。然而实际上自旋是一个内禀性质,并不是真正的自转。粒子在标准的量子力学处理上是视为点粒子,无法说出一个点是怎样自转。若要将粒子视为带质量球状物体来计算,以电子来说,会发现球表面转速超过光速,违反狭义相对论的说法。

自旋的进动现象主要出现在核磁共振与磁振造影上。其中的例子包括了稳定态自由旋进(进动)造影。

进动是转动中的物体自转轴的指向变化。在物理学中,有两种类型的进动,自由力矩和诱导力矩,此处对后者的讨论会比较详细。在某些文章中,"进动"可能会提到地球经验的岁差,这是进动在天文观测上造成的效应,或是物体在轨道上的进动。

近日点的进动(现象被极度夸大)

  

水星进动

水星的轨道偏离正圆程度很大,近日点距太阳仅四千六百万千米,远日点却有7 千万千米,在轨道的近日点它以十分缓慢的速度按岁差围绕太阳向前运行,称为水星进动。  

水星近日点的进动

水星是距太阳最近的一颗行星,按牛顿的理论,它的运行轨道应当是一个封闭的椭圆。实际上水星的轨道,每转一圈它的长轴也略有转动。长轴的转动,称为进动。经过观察得到水星进动的速率为每百年1°33′20〃,而天体力学家根据牛顿引力理论计算,水星进动的速率为每百年1°32′37〃。两者之差为每百年43〃,这已在观测精度不容许忽视的范围了。

岁差运动

为了给这个差异一个合理的解释,曾经成功地预言过海王星存在的天文学家勒维耶预言在太阳附近还有一颗未被发现的小行星。由于这颗小行星的作用,导致了水星“多余”进动。经过多年仔细的搜索,无人发现这颗小行星。看来勒维耶的神算这一次落空了。

原因在哪里?原来在牛顿力学里,行星自转是不参与引力相互作用的。在牛顿的万有引力公式中只有物体的质量因子,而没有自转量,即太阳对行星的引力大小只与太阳和行星的质量有关,而与它们的自转快慢无关。

但是,在广义相对论里,引力不仅与物体的质量因子有关,而且也与物体的自转快慢有关。两个没有自转的物体之间的引力与它们自转起来之后的引力是不同的。这一效应会引起自转轴的进动,行星在运动过程中,它的自转轴会慢慢变化。对于太阳系的行星来说这个效应太小了,不易被察觉,更何况还有其他的因素也会造成行星自转轴的变化。

根据爱因斯坦引力场方程计算得到的水星轨道近日点进动的理论值与观测值相当符合。此外,后来观测到的地球、金星等行星近日点的进动值也与广义相对论的计算值吻合得相当好。  

自由力矩进动

只有移动中的物体可以在自由力矩的进动状态下。例如,一块被抛出的板材,这块板材可能以非对称的轴产生一些自转的运动。如果这个物体不是理想的固体,内部的涡旋倾向抑制自由力矩的进动。  

进动减速机

一种进动减速机,其技术特点是:输入轴的中段为空心曲轴,该曲轴上的行星齿轮所带的两个圆锥形滚子齿圈分别与设在端盖上的固定中心锥齿轮和设在输出轴上的可动中心锥轮相啮合。该进动减速机具有多齿啮合性能,承载能力高、结构紧凑、体积小、传动效率较高,而且工作可靠。  

陀螺进动

常见的例子为陀螺。当其自转轴的轴线不再呈铅直时,会发现自转轴会沿着铅直线作旋转,此即“旋进”现象。另外的例子是地球的自转。比如以一个陀螺为例,轻轻拨动沿反时针方向急速旋转的陀螺的右边就会发现陀螺会向前旋转。陀螺旋转时同时进行两边的旋转运动。一种是自己沿着轴旋转的运动,另一种是沿着轴周围旋转的运动。一般旋转式这两个运动会保持均衡,如果拨动旋转的陀螺的一边,破坏了这种平衡,那么为了保持平衡陀螺就会反射似地向前旋转。物理学家们把这种作用称为"旋进性(Gyroscopic Precession)"(陀螺进动)。

进动

这概念容易通过惯性的效果来理解。惯性经常被陈述成运动物体倾向于保持运动。在这例子中,旋转物体的运动是旋转。如果在一个旋转物体上施加外力,物体会通过推回去抵抗外力,但反应延迟了。

陀螺进动在直升飞机的飞行控制上也起着巨大的作用。由于直升机后尾的驾驶能力来自(旋转着的)螺旋桨,陀螺进动起着作用。如果螺旋桨向前倾斜(为了获得向前的速度),它的逆时针运动需要螺旋桨能通过大概90°(决定于螺旋桨的构造)提供静推力,或者螺旋桨在飞行员的右侧。为了确保飞行员的操作正确,当飞行员把“轮转棒”向前推,或当“轮转棒”被向后拉后,再向左推时,飞机有着能把旋转斜盘倾斜到右侧的的矫正连接。

进动的不利之处在于它能使负荷着巨大扭矩的系结物自己旋松。自行车踏板的曲柄在左手位置是左旋的,因此进动能使它旋紧,而不是旋松。在不怕诱导力矩进动的螺丝出现之前,有些汽车左边的轮子用的也是左旋螺丝。

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