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你說什麼!?角動量守恆定律被打破了?這個超經典的科學玩具,當你以順時針方向旋轉它,

它轉一轉便不可思議的自己停下來改為逆時針旋轉。角動量守恆定律並沒有被打破,

反而是因為許多有趣開箱文的物理現象加總起來,造成了反轉的效果噢!



這款可是說經典有夠經典的物理科學玩具,歷史可以追朔到遠在19 世紀時,

考古學家在研究古凱爾特遺跡時,發現了這個會自己迴轉的神祕陀螺。

從1890 年代的第一份研究論文發表後,科學家們被這奇異的物品深深迷住,

光在80年代後就發表了多過 28 份研究報告。至今還是許多老師愛用的科普教材!



凱爾特石頭在旋轉時,基本上的過程是:旋轉(順時針)→上下振動→停止旋轉→旋轉(逆時針)。

從能量的角度而言;旋轉的動能先轉換為振動的動能,振動的動能再轉換為反轉的旋轉動能。

所以會由旋轉變成振動,主要是由於凱爾特石頭的結構並非完全對稱,尤其在「滾動軸(Rolling axe)」

以及「俯仰軸(Pitching axe)」為座標(如下圖左),其座標原點(中心點)不是重心的位置,

亦即質量的分佈不是完全均勻,如果質量分佈均勻,才可能穩定的旋轉。因此一開始旋轉後,凱爾特石頭處於不穩定狀態,

滾動運動與俯仰運動的不穩定性開始連結,造成俯仰軸的上下振動的現象,於是轉動能量被轉換為振動能量,

旋轉因而會慢下來(當然也包括摩擦力的影響)。沿俯仰軸的上下振動發生時,地面的摩擦力成為反轉的主要因素。

如下圖右,摩擦力F可以分解為平行與垂直兩種分力, 平行橢圓長軸(F2)的分力減緩了振動的幅度,

而垂直長軸的分力(F1)是讓凱爾特石頭形成逆轉現象的原因。



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