探秘科技馆｜转动惯量：藏在轮子里的“旋转密码”

2025-08-05 16:30:51

湖南省科学技术馆夏小寒

在科技馆的“数理启迪”展区，两个看似相同的轮子正进行一场“速度对决”：一个轮子的质量集中在边缘，像自行车轮毂；另一个则像实心圆盘，质量集中在中心。当它们同时从斜坡滚下时，边缘有重量的轮子总是慢半拍。这背后的“幕后推手”，正是物理学中的“转动惯量”。

转动惯量：旋转物体的“惯性盾牌”

转动惯量是物体抵抗旋转状态改变的“盾牌”。就像质量越大越难推动一样，转动惯量越大，物体越难加速或减速旋转。它的计算公式是：每个质量微元与转轴距离的平方乘以质量，再对所有微元求和。简单来说，质量离转轴越远，转动惯量就越大。

科技馆里的“速度实验”

科技馆的互动展项完美还原了这一原理。当两个质量相同的轮子从斜坡滚下时：

边缘有重量的轮子：质量分布在四周，转动惯量大，需要更大的力矩才能改变其旋转状态，因此启动慢、停止也慢。

中心有重量的轮子：质量靠近转轴，转动惯量小，力矩作用更直接，启动和停止都更迅速。

生活中的“转动惯量”

这一原理在科技领域无处不在：

飞轮设计：发动机飞轮将质量集中在边缘，利用大转动惯量储存能量，使运转更平稳。

卫星姿态控制：卫星通过调整内部质量分布，改变转动惯量，从而精准控制旋转方向。

舞蹈表演：舞者收紧手臂时转动惯量减小，旋转速度加快；张开手臂时则相反。

下次参观科技馆时，不妨亲手转动这两个轮子，感受转动惯量的“魔力”。它不仅是物理学的核心概念，更是理解旋转世界的钥匙！

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