剛體與連續體力學
對稱陀螺(symmetric top)
對稱陀螺(symmetric top)是一種具有對稱軸的剛體,因此它三個主轉動慣量中有兩個相等(I_1 = I_2,而繞對稱軸另有一個相異的 I_3)。旋轉的玩具陀螺、步槍子彈、被拋出的橄欖球、鐵餅,以及(近似而言)自轉的地球,都是對稱陀螺。這份對稱性換來一個可精確求解的問題,這正是它成為旋轉物體動力學標準模型的原因。
有兩個主慣量相等,使第三個軸變得特殊——它就是圖形軸(figure axis)或對稱軸。當 I_3 < I_1 時物體為長橢型(prolate,雪茄狀,如子彈);當 I_3 > I_1 時為扁橢型(oblate,圓盤狀,如飛盤或地球)。因為慣量張量具有 diag(I_1, I_1, I_3) 的形式,繞圖形軸的轉動是無力矩的,且尤拉方程式會俐落地解耦:omega_3 為常數、omega_1 與 omega_2 穩定地旋轉。這正是進動、章動與陀螺運動都能求得閉式解的情況。
對稱陀螺介於平凡簡單的球對稱陀螺(三個主慣量都相等,如均勻球或立方體)與真正易於混沌的非對稱陀螺(三者皆不同,如任意一塊石頭)之間。它是仍然完全可積分的最豐富轉子,這就是為什麼每一門力學課、以及許多分子光譜學,都以它為參考範例。
步槍槍管內刻有螺旋膛線,正是為了讓子彈繞其長(圖形)軸旋轉。作為一個長橢型對稱陀螺,子彈獲得陀螺穩定性,使彈頭持續朝前而不翻滾——與旋轉陀螺能保持直立是同一套物理。
對稱陀螺有兩個相等的主慣量,使其旋轉可解析求解。
別把外形對稱與慣量對稱搞混:關鍵是 I_1 = I_2,而不是物體看起來圓不圓。一根正方柱雖不圓,卻是對稱陀螺,因為它橫截面上的兩個慣量恰好相等。
又稱
另見