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報(bào)料
關(guān)于
2025-08-05 16:30:51
湖南省科學(xué)技術(shù)館 夏小寒
在科技館的“數(shù)理啟迪”展區(qū)，兩個(gè)看似相同的輪子正進(jìn)行一場“速度對決”：一個(gè)輪子的質(zhì)量集中在邊緣，像自行車輪轂；另一個(gè)則像實(shí)心圓盤，質(zhì)量集中在中心。當(dāng)它們同時(shí)從斜坡滾下時(shí)，邊緣有重量的輪子總是慢半拍。這背后的“幕后推手”，正是物理學(xué)中的“轉(zhuǎn)動慣量”。
轉(zhuǎn)動慣量：旋轉(zhuǎn)物體的“慣性盾牌”
轉(zhuǎn)動慣量是物體抵抗旋轉(zhuǎn)狀態(tài)改變的“盾牌”。就像質(zhì)量越大越難推動一樣，轉(zhuǎn)動慣量越大，物體越難加速或減速旋轉(zhuǎn)。它的計(jì)算公式是：每個(gè)質(zhì)量微元與轉(zhuǎn)軸距離的平方乘以質(zhì)量，再對所有微元求和。簡單來說，質(zhì)量離轉(zhuǎn)軸越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動慣量就越大。
科技館里的“速度實(shí)驗(yàn)”
科技館的互動展項(xiàng)完美還原了這一原理。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)量相同的輪子從斜坡滾下時(shí)：
邊緣有重量的輪子：質(zhì)量分布在四周，轉(zhuǎn)動慣量大，需要更大的力矩才能改變其旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此啟動慢、停止也慢。
中心有重量的輪子：質(zhì)量靠近轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)動慣量小，力矩作用更直接，啟動和停止都更迅速。
生活中的“轉(zhuǎn)動慣量”
這一原理在科技領(lǐng)域無處不在：
飛輪設(shè)計(jì)：發(fā)動機(jī)飛輪將質(zhì)量集中在邊緣，利用大轉(zhuǎn)動慣量儲存能量，使運(yùn)轉(zhuǎn)更平穩(wěn)。
衛(wèi)星姿態(tài)控制：衛(wèi)星通過調(diào)整內(nèi)部質(zhì)量分布，改變轉(zhuǎn)動慣量，從而精準(zhǔn)控制旋轉(zhuǎn)方向。
舞蹈表演：舞者收緊手臂時(shí)轉(zhuǎn)動慣量減小，旋轉(zhuǎn)速度加快；張開手臂時(shí)則相反。
下次參觀科技館時(shí)，不妨親手轉(zhuǎn)動這兩個(gè)輪子，感受轉(zhuǎn)動慣量的“魔力”。它不僅是物理學(xué)的核心概念，更是理解旋轉(zhuǎn)世界的鑰匙！
責(zé)編：伍芳芳
一審：伍芳芳
二審：姚瑤
三審：黃維
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