浑天仪的物理学原理是刚体的角动量守恒.在现代技术中的一个重要应用是惯性导航,所用的装置叫回转仪,也叫"陀螺".它的核心部分是装置在常平架上的一个质量较大的转子.常平架由套在一起,分别具有竖直轴和水平轴的两个圆环组成.转子装在内环上,其轴与内环的轴垂直.转子是精确地对称于其转轴的圆柱,各轴承均高度润滑。这样转子就具有可以绕其自由转动的三个相互垂直的轴。因此,不管常平架如何移动或转动,转子都不会受到任何力矩的作用。所以一旦使转子高速转动起来,根据角动量守恒定律,它将保持其对称轴在空间的指向不变。安装在船、飞机、导 弹、或宇宙飞船上的这种回转仪就能够指出这些船或飞行器的航向相对于空间某一定向的方向,从而起到导航的作用。在这种应用中,往往用到三个这样的回转仪并使他们的转轴相互垂直,从而提供一套绝对的迪卡尔直角坐标系。这些转子竟能在浩瀚的太空中认准一个确定的方向并使自己的转轴始终指向它而不改变,多么不可思议的自然界啊!
上述惯性导航装置出现不过一百年,但常平架在我国早就出现了。那是西汉(公元1世纪)丁缓设计制造的但后来失传的“被中香炉”。他用两个套在一起的环形支架架住一个小香炉,香炉由于受有重力总是悬着。不管支架如何转动,香炉总不会倾倒。遗憾的是这种装置只是用来保证被中取暖时的安全,而没有得到任何技术上的应用。虽然如此,它也闪现了我们祖先的智慧之光。 |