剛體與連續體力學

章動(nutation)

/ noo-TAY-shun /

章動(nutation)是旋轉軸上下點頭般的運動,疊加在其較緩慢的圓形進動之上。看一個傾斜並進動中的重陀螺:它的頂端並非掃出一個完美平滑的水平圓。它反而會上下起伏——時升時降——描出一條扇貝狀或帶圈的路徑。傾角上的這種起伏就是章動,其字源自拉丁文的「點頭」。

精確地說,章動是極傾角 theta(第二個尤拉角)在其平均值附近的振盪,而進動則是方位角 phi 的穩定漂移。對一個重對稱陀螺,能量與兩個守恆的角動量把 theta 限制在兩個折返角 theta_min 與 theta_max 之間振盪;軸一邊向前進動,theta 一邊在兩者間循環,產生我們熟悉的帶尖點或波浪狀的軌跡。從靜止輕輕放開的陀螺,起始帶有尖銳的尖點;被推了一把的陀螺則可能繞圈。在多數教科書最先呈現的理想穩定進動中,章動振幅恰好為零、theta 保持不變。

你會在高速旋轉的陀螺(小而快的擺晃,摩擦很快將其阻尼成平滑進動)、從擾動中恢復的陀螺儀,以及地球的軸上看到章動:疊加在 26000 年的分點進動之上的,是一種週期 18.6 年、幅度約 9 角秒的天文章動,由月球軌道的傾斜與緩慢轉動所引起。章動是穩定進動那短暫而振盪的搭檔。

把陀螺儀的軸從傾斜的靜止狀態放開,它並不會平滑地滑入進動;它會先下沉、把自己接住、再上升,在摩擦把它撫平之前作一次快速的點頭。那最初的點頭就是章動,是系統在尋得其穩定進動狀態過程中的振盪。

章動是傾角的振盪;進動則是方位角的穩定漂移。

章動與進動是兩種不同的尤拉角運動,並非同一件事的兩個名字:章動是 theta 在振盪,進動是 phi 在推進。常見的擺晃其實是兩者同時發生。

又稱
nodding motion章動