王珍妮 杨功流 蔡庆中

（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院 100191）

美国物理学会在Physics杂志上发布了2021年的物理学年度亮点，其中的一大亮点是“物理学中的俏皮旋转”，介绍了由天体物理学家肯尼思·布雷彻(Kenneth Brecher)设计的一种新型旋转陀螺。肯尼思·布雷彻对陀螺的兴趣始于他对中子星旋转运动的理解，中子星会发生摆动或者进动，这跟陀螺的性质是相似的。后来布雷彻教授开始自己制作陀螺，他利用数学常数设计了一个单项旋转陀螺DeltaCELT，这种陀螺具有优先旋转的方向。在陀螺的顶部，有两个椭圆形的凹坑，顶部的长轴与短轴的比值为Feigenbaum 常数。这种非对称形状使得DeltaCELT 陀螺有一个优先的旋转方向，当陀螺逆时针旋转时，陀螺正常自由旋转，当顺时针旋转时，陀螺会迅速减速到停止，并开始来回摆动，然后，它将这种摇摆运动转换成逆时针方向的旋转，这是一种很神奇的旋转方式，可能会对一些数学物理的设计工作有启发的作用。

在现代物理学发展中，陀螺由于具有定轴性和进动性被应用于角速度的测量。根据牛顿第一定律，当物体不受外力作用时，有保持原有运动状态的性质。当陀螺高速旋转时，在没有外界力的作用下，根据角动量守恒原理，陀螺的角速度大小和方向也都保持不变，即拥有定轴性；当在陀螺上施加外力矩时，根据牛顿第二定律，物体受到的力矩与角动量的时间变化率成正比，方向指向合外力矩方向，陀螺的动量矩矢量会以最小的速度追赶外力矩，因此陀螺会沿着角动量所在的轴向倒向外力矩的方向，进而产生陀螺进动角速度，方向可以根据右手螺旋定则确定，这就是陀螺的进动性。……