轉動運動與角動量

角動量守恆(conservation of angular momentum)

角動量守恆是這樣一條法則:若沒有外界扭轉一個旋轉系統,它的總轉動便完全維持不變。這正是花式溜冰選手收攏手臂便戲劇性加速旋轉的原因:沒人推他們轉更快,他們卻飛旋。原有的轉動被保存下來,只是被集中了。它是我們較熟悉的動量守恆在轉動裡的夥伴。

精確地說,若系統所受的淨外力矩為零,它的總角動量 L 便隨時間保持定值。對能改變形狀的旋轉物體,這意味 I_1 omega_1 = I_2 omega_2:若轉動慣量 I 縮小,角速度 omega 就必須增大以維持乘積不變。溜冰選手收臂使 I 下降,omega 便躍升;伸開手臂使 I 上升,旋轉又慢下來。

這條定律從芭蕾教室延伸到宇宙:跳水選手抱膝以更快翻滾、貓在半空中翻正身體、在重力下塌縮的氣體雲越轉越快而成為恆星或飛旋的中子星,而行星在相等時間掃過相等面積(克卜勒第二定律),正是因為它對太陽的角動量守恆。

一位以每秒 2 圈旋轉的溜冰選手收攏手臂,使轉動慣量減半。因為 I omega 守恆,他們的轉速加倍到約每秒 4 圈——不需要任何額外的推力。

縮小轉動慣量,旋轉就必須加快,以維持 I omega 不變。

守恆的是角動量 L,不是 omega,也不是轉動動能。溜冰選手收臂時,K_rot 其實會上升——他們的肌肉要作功,克服旋轉把手臂拉進來。

又稱
L is conservedno external torque means constant L角動量守恆定律