為何花式滑冰選手在快速旋轉時會身體向內收缩?

本文以兒童握著哑铃坐在旋轉椅上時手臂轉速加快的現象,以及門轉動時的受力原理為例,來說明角動量守恒定律(动量矩守恒定律),並解釋花样滑冰運動員快速旋轉時會收缩身體的原因。

為何花式滑冰選手在快速旋轉時會身體向內收缩?

一个小孩双手伸直,平举哑铃,坐在旋转椅上慢慢转动。突然,他将双手收向身体,发现自己的转速明显加快了。没有人推他,只是他自己将手臂收回来,转速为何会改变呢?我们不妨先从门的开关说起,这样更容易理解其中的道理。门可以绕着转轴转动,当我们开门时,通常施加的力是垂直于转轴的。你可以试试:如果向下作用力于门把手(力的方向平行于转轴),或者使力的方向指向转轴,门都不会转动。开门的简单事实包含了很多力学原理。我们至少可以得出这样一个结论:如果作用力平行于转轴,或指向转轴,那么作用力对门的转动没有影响。当然,可以把门换成其他物体。在上述小孩转动的问题中,他受到的外部作用力只有重力和地面对椅子的支撑力,而且这些力都与转轴平行。根据我们前面的结论,这些力对转动没有影响,即小孩在转动过程中,某个转动量开始是多少,后来还是多少,否则就是“有影响”的。但是在小孩收拢手臂前后,转速明显变化,那么,在转动过程中,代表“系统转动”的某个不变量究竟是什么?先分析小孩转动问题中的相关物理量变化。在小孩收拢手臂前后,其现象是:哑铃的质量不变,但它与转轴的距离变小了,所以整个系统的转动变快了。

而前面的分析说明存在不变量,那么我们自然容易想到:转速和距离分别变化,那么它们的和会不会是不变的呢?不可能!因为这两个量的单位不同,不能相加。那么“转速与距离的乘积”会不会是不变的呢?如果你这么思考,那么恭喜你,你猜对了!你所猜测的结论实际上就是物理学中的“角动量守恒定律”,在力学中则称为“动量矩守恒定律”。有了上述结论,就很容易理解花样滑冰运动员快速转圈时为什么要收拢四肢:运动员先张开双臂缓慢转动,冰面上的摩擦力很小,基本对转速没有影响,而重力和支撑力与旋转轴平行,对系统的转动也不起作用;根据“转速与距离的乘积”不变的“角动量守恒定律”,收拢四肢就相当于减小了与转轴的距离,转速自然就会加快。