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一个简单的原因——角动量守恒

更新时间:2024-02-23 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

一个简单的原因——角动量守恒。 我们都知道天体是由物质聚集而成的。 重力将物质粒子拉向中心。 这个过程涉及无数粒子的相互作用以及动量转换和守恒。 宏观结果是最终的天体很难保证旋转角动量。 互相抵消为零。 大多数天体不自转,但也有例外。VsF物理好资源网(原物理ok网)

下面我们详细讨论一下:VsF物理好资源网(原物理ok网)

角动量的概念 角动量是描述物体做圆周运动的动量的矢量。 它是圆周运动和直线运动中动量的等效概念。 其大小等于物体的动量,其方向与旋转方向一致。 封闭系统中角动量守恒。VsF物理好资源网(原物理ok网)

通俗地讲节约,可以形容为“不用则不减,不增则增”,“内部无论做多少,都不会多或少”。 重点是一个封闭的系统——一个与外界没有任何作用或交互的系统,一个孤立的系统,一个“不被使用”和“不使用其他东西”的系统。VsF物理好资源网(原物理ok网)

m1*v1*r1=m2*v2*r2VsF物理好资源网(原物理ok网)

质量、速度和旋转半径构成角动量三要素。 如果保守的话,它们的乘积是恒定的。VsF物理好资源网(原物理ok网)

角动量守恒定律是物理学中的关键守恒定律之一,其他守恒定律还有能量守恒定律和(线性)动量守恒定律。 这些定律甚至适用于量子力学控制的微观领域,它们的存在可以归因于自然界固有的对称性。VsF物理好资源网(原物理ok网)

我们首先看一个角动量守恒的例子。VsF物理好资源网(原物理ok网)

如图所示,花样滑冰运动员的旋转运动可以被视为角动量守恒的一个例子。 花样滑冰运动员所受到的冰面摩擦力非常小(净扭矩),几乎为零。 这有两点很重要:VsF物理好资源网(原物理ok网)

冰刀与冰面的接触面积和摩擦系数很小,产生的摩擦力很小,并且(力很小)VsF物理好资源网(原物理ok网)

冰面和冰刀尖端之间发生的一点点摩擦的作用点非常接近旋转轴的中心(扭矩很小)。VsF物理好资源网(原物理ok网)

上图:角动量守恒,VsF物理好资源网(原物理ok网)

天体自转也是同样的原因造成的VsF物理好资源网(原物理ok网)

但天体形成的过程非常复杂,但复杂的过程也必须遵守简单的动量守恒定律。VsF物理好资源网(原物理ok网)

虽然简单地看,我们可以认为,如果引力是天体汇聚的原因,那么天体也可以以非旋转的方式汇聚,因为引力只提供向心引力动量守恒但角动量不守恒的例子,就像我们缩回胳膊和腿一样当我们站在不同的时间。 它不会导致我们旋转。 那么为什么大多数天体都会自转呢?VsF物理好资源网(原物理ok网)

因为天体以不旋转的方式形成的可能性极小。VsF物理好资源网(原物理ok网)

“不旋转”显然意味着“天体的固有角动量为零”。 您必须知道,在宏观尺度上,角动量是一个连续量,具有无限范围的可能值。 因此,当一些天体开始从星云汇聚,或者从原行星盘分离时,它们的总角动量就会有一个分布,但这种分布是混乱且不均匀的,这就导致当行星最终聚集形成天体时,其总角动量会存在一个分布。角动量是其组成粒子的角动量的矢量和,不能为0。VsF物理好资源网(原物理ok网)

上图:星云收缩过程中,由于角动量守恒,整个星云团的旋转速度变得越来越快。 这与花样滑冰运动员过去把手脚移开的效果非常相似。VsF物理好资源网(原物理ok网)

更重要的是,许多天体本质上是不对称的。 即使形成了相对稳定的天体,其角动量分布也是不均匀的。 考虑到天体的不平衡性以及它们几乎相当于空间中的封闭系统的事实,这些天体的自角动量最终之和几乎不可能完全等于0。VsF物理好资源网(原物理ok网)

上图:太阳系形成的星云假说中角动量守恒的描述。VsF物理好资源网(原物理ok网)

换句话说,轮换是不可避免的。 不旋转是偶然的,而且几乎是不可能的。VsF物理好资源网(原物理ok网)

角动量守恒是当今地球和月球旋转方式的原因VsF物理好资源网(原物理ok网)

上图:月球是在原始地球被另一颗较小的原始行星忒伊亚撞击后形成的。 在此过程中角动量保持守恒。 即使一块小石头撞击地球,角动量也是守恒的。 所以你可以想象,在任何天体系统中,微小的变量都可能导致整个系统的角动量不可能恰好为0,因为即使有一个没有角动量的完美系统,一颗小石子突然飞起来动量守恒但角动量不守恒的例子,甚至一个沙粒会导致整个系统的最终角动量无法保持在0,它会旋转(尽管可能会很慢)。VsF物理好资源网(原物理ok网)

恒星形成的速度会影响星系中角动量的分布,从而产生不同形状的星系。VsF物理好资源网(原物理ok网)

上图:由于椭圆星系中初始恒星形成剧烈,椭圆星系基本上不旋转(但不完全旋转,只是旋转得很慢)。 在螺旋星系形成的早期阶段,恒星形成率不高,恒星不断形成,产生比较大的角动量,因此存在比较明显的旋转。VsF物理好资源网(原物理ok网)

黑洞可能不会旋转VsF物理好资源网(原物理ok网)

黑洞质量太大,但黑洞具有极高的对称性,因此可能具有巨大的角动量,但也可能由于其独特的时空特性而无法对外表现出旋转的特征,虽然理论上可能存在是三种类型的旋转黑洞。VsF物理好资源网(原物理ok网)

上图:黑洞旋转的三种形式。VsF物理好资源网(原物理ok网)

我们的宇宙在旋转吗?VsF物理好资源网(原物理ok网)

答案可能是旋转和不旋转。 因为在整个宇宙这个超宏观层面上很难定义角动量和旋转。VsF物理好资源网(原物理ok网)

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