角動量守恆

三個「沒有外力矩」的實驗,角動量都保持不變:光滑桌面上的小球,繩子穿過中央小孔(往下拉、慢慢放,或乾脆鬆手);站在旋轉平台上、雙手拿著啞鈴的人(收手或伸手);把一個圓盤放到另一個旋轉的圓盤上。看看 L 不變時,速率、轉速與動能怎麼變。

試試看:按「拉繩到 r1」把半徑拉成一半,看速率變幾倍、L 變不變。

軌跡(漸淡) 速度 v 張力 T(指向小孔) 等時間掃過的面積 角動量 L

俯視圖:小球逆時針轉,角動量 L 朝上、指出螢幕(⊙)。箭頭依固定比例畫:速度每 1 m/s 畫 0.3 m、張力每 1 N 畫 0.25 m,太長畫不下的箭頭會截短並標「≈」。繩子能承受的最大張力是 30 N,超過就斷。

紀錄(每次收放完成、鬆手或繩斷時記一列)

事件r (m)v (m/s)ω (rad/s)L (kg·m2/s)K (J)手作功 W (J)

背後的物理

質量 \(m\)、速度 \(\vec v\) 的質點,在相對於某一點的位置 \(\vec r\) 時,對該點的角動量是 \(\vec L = \vec r \times m\vec v\)。大小等於動量乘以力臂 \(r_\perp\)(該點到速度所在直線的垂直距離):

\[ L = m v r_\perp = m v_\perp r = m r^{2}\omega \]

力矩改變角動量,就像力改變動量一樣。對該點的合力矩為零時,角動量守恆:

\[ \vec\tau = \vec r \times \vec F = \frac{\Delta \vec L}{\Delta t}, \qquad \vec\tau = 0 \;\Rightarrow\; \vec L = \text{constant} \]

一、穿過小孔的繩子

光滑桌面上,小球在水平方向只受繩子的張力,而張力永遠指向小孔(連心力),對小孔的力臂是零,力矩為零,所以不論手怎麼收放繩子,\(L = m v_\perp r\) 都不變。把繩子拉短,小球就必須轉得更快;繩長固定時,小球又做等速圓周運動:

\[ v r = \text{constant}\;\Rightarrow\; v \propto \frac{1}{r}, \qquad \omega = \frac{L}{m r^{2}} \propto \frac{1}{r^{2}}, \qquad T = \frac{m v^{2}}{r} = \frac{L^{2}}{m r^{3}} \]

半徑減半:速率變 2 倍、角速度變 4 倍、動能變 4 倍、張力變 8 倍。小球往內移時張力對它作正功,手作的功正好等於動能的增加:

\[ W = \Delta K = \frac{L^{2}}{2m}\left(\frac{1}{r_{1}^{2}} - \frac{1}{r_{0}^{2}}\right) \]

放繩時,小球對手作功,動能減少。如果手鬆開,張力消失,小球沿直線等速滑出——角動量還是一樣,因為直線的力臂 \(r_\perp\) 不變。從小孔到小球的連線,在相等的時間掃過相等的面積,這正是行星運動的克卜勒第二定律:

\[ \frac{\Delta A}{\Delta t} = \frac{1}{2} r v_\perp = \frac{L}{2m} = \text{constant} \]

二、旋轉平台

繞固定軸轉動的物體,把每一小塊質量的 \(m r^2\) 加起來就是轉動慣量 \(I\),角動量 \(L = I\omega\)。這裡平台是均勻圓盤、人體近似均勻圓柱,每個啞鈴看成離轉軸 \(r\) 的質點:

\[ I = \tfrac12 M R_{b}^{2} + \tfrac12 M_{p} R_{p}^{2} + 2 m r^{2} \]

\(I\) 只由質量相對於轉軸的分布(啞鈴在哪裡)決定,與轉得多快無關。轉軸沒有摩擦、肌肉的力是內力,沒有外力矩,所以 \(I_1\omega_1 = I_2\omega_2\)。收手讓 \(I\) 變小、\(\omega\) 變大;轉動動能增加,多出來的能量來自肌肉作的功:

\[ \frac{\omega_{2}}{\omega_{1}} = \frac{I_{1}}{I_{2}}, \qquad K = \tfrac12 I\omega^{2} = \frac{L^{2}}{2I}, \qquad W = \Delta K = \frac{L^{2}}{2}\left(\frac{1}{I_{2}} - \frac{1}{I_{1}}\right) \]

再把手伸出去則相反:\(\omega\) 變回原來的值,同樣多的能量回到肌肉。

三、兩盤相合

把上盤放到同軸旋轉的下盤上,兩盤之間的摩擦力讓一個變快、一個變慢,直到一起轉動。兩盤受到的摩擦力矩大小相等、方向相反(內力矩),總角動量守恆:

\[ I_{1}\omega_{1} + I_{2}\omega_{2} = (I_{1} + I_{2})\,\omega_{f}, \qquad I = \tfrac12 M R^{2} \]

動能不守恆:滑動的過程把一部分動能變成熱,這是轉動版的「完全非彈性碰撞」。損失的動能與摩擦係數無關,摩擦大只是讓兩盤更快一起轉:

\[ \Delta K = \frac12\,\frac{I_{1}I_{2}}{I_{1}+I_{2}}\,(\omega_{1}-\omega_{2})^{2}, \qquad \frac{\Delta K}{K_{0}} = \frac{I_{2}}{I_{1}+I_{2}}\ \ (\omega_{2} = 0) \]

觀察重點

模擬方法

參考資料