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进动

进动,是一个物理学名词,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,也叫做旋进。

如图,一个车轮绕水平轴高速旋转,虽然受到重力但它不会往下倒,反而是那个水平的转轴在绕竖直杆转动。这就是进动的演示实验。

陀螺、车轮等受重力而产生的进动:高速旋转的物体存在一个角动量,方向符合右手螺旋定则。重力的力矩M=L×F(注意,是叉乘),其方向也符合右手螺旋定则。在旋转体中,角动量方向与转轴方向平行。根据叉乘的性质,力矩方向始终垂直于转轴方向,即始终垂直于角速度方向。而力矩直接引起角动量的改变(可类比力引起速度的改变),所以角动量方向不断改变。又因为力矩始终拉着角动量往垂直于角动量的方向走,所以角动量方向绕轴旋转。转轴划出一个圆形的轨迹。

原子受电磁力的磁矩进动:原子的磁矩与自旋方向相同,所以它在恒稳磁场中受到的磁力矩Г= M×H(M是磁矩矢量,H是磁场强度矢量。叉乘)也可以产生同样的效果,让磁矩和自旋轴进动。

岁差(axial precession),在天文学中是指一个天体的自转轴指向因为万有引力作用导致在空间中缓慢且连续的变化。例如,地球自转轴的方向逐渐漂移,追踪它摇摆的顶部,以大约26,000年的周期扫掠出一个圆锥(在占星学称为大年或柏拉图年)。由于这个现象,多年以前北极星并不是地轴的指向,多年以后也不再是了。

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。

星体绕太阳每转一圈它的椭圆轨道的长轴也略有转动。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。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。

按经典引力论,引力是物质间超距作用,物体之间的作用仅仅与物体的质量、相隔距离有关。引力场方程不具有内禀性(即场的方程不决定运动方程),这意味着引力论没有考虑时空对物体运动的影响。广义相对论从时空弯曲出发,建立了具有内禀性的相对引力论。只要考虑时空弯曲的效应,就能很容易地解释水星近日点进动为什么多出了每百年43" [1]

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。

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)。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。

进动能使负荷着巨大扭矩的系结物自己旋松或旋紧。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。

对于三自由度陀螺来说,利用其进动性,可对自转轴的漂移进行修正或跟踪等;对于二自由度陀螺来说,利用其进动性,可测量运动物体的角速度或角加速度。这就是陀螺仪的原理。这些也都广泛地应用于航空、航天、航海等领域。

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