陀螺原理與螺旋膛線

小時(shí)候，差不多人人都玩過(guò)陀螺。說(shuō)來(lái)也怪，這種圓錐形的東西，轉(zhuǎn)得越快它越穩(wěn)，一旦停止轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)立刻歪倒。孩子們只不過(guò)把它當(dāng)作一種有趣的玩具。我們?nèi)绻屑?xì)看一看，就會(huì)發(fā)現(xiàn)彈丸的旋轉(zhuǎn)與陀螺的運(yùn)動(dòng)是一樣的。

陀螺是有一定重量的。當(dāng)把它豎在平地上時(shí)，因?yàn)橹亓椭c(diǎn)的作用力組成了一個(gè)力偶，所以只要稍有傾斜就會(huì)翻倒。但若使它高速旋轉(zhuǎn)起來(lái)，雖然也受到了力偶的作用，但它不僅不會(huì)翻倒，還會(huì)圍繞垂直軸做圓錐運(yùn)動(dòng)。

這是什么道理呢?芽原來(lái)，陀螺在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，不但圍繞本身的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，而且還圍繞一個(gè)垂直軸做錐形運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)，陀螺一面圍繞本身的軸線做“自轉(zhuǎn)”，一面圍繞垂直軸做“公轉(zhuǎn)”。陀螺圍繞自身軸線做“自轉(zhuǎn)”運(yùn)動(dòng)速度的快慢，決定著陀螺擺動(dòng)角的大小。轉(zhuǎn)得越慢，擺動(dòng)角越大，穩(wěn)定性越差；轉(zhuǎn)得越快，擺動(dòng)角越小，因而穩(wěn)定性也就越好。這和人們騎自行車(chē)的道理差不多。其中不同的是，一個(gè)是做直線運(yùn)動(dòng)，一個(gè)是做圓錐形的曲線運(yùn)動(dòng)。陀螺高速自轉(zhuǎn)時(shí)，在重力偶作用下，不沿力偶方向翻倒，而繞道支點(diǎn)的垂直軸做圓錐運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，就是陀螺原理。

那么，陀螺原理與螺旋膛線有什么關(guān)系呢？

大家都有這樣的體會(huì)，投擲手榴彈時(shí)，如果用力不當(dāng)，手榴彈出手后就會(huì)搖搖晃晃甚至翻跟斗。不僅影響命中精度，而且會(huì)大大縮短投擲距離。用槍炮發(fā)射的彈丸也是這樣。早期的槍炮都是沒(méi)有膛線的，因而射擊距離近、精度差。自從十七世紀(jì)有了膛線之后，射擊的距離和精度才有了明顯的提高。

彈丸在膛線的作用下旋轉(zhuǎn)，這與高速旋轉(zhuǎn)的陀螺運(yùn)動(dòng)原理是一樣的。彈軸相當(dāng)于陀螺軸，彈道切線相當(dāng)于垂直軸，彈丸飛行中的章動(dòng)角相當(dāng)于陀螺的擺動(dòng)角，彈丸的質(zhì)心相當(dāng)于陀螺的支點(diǎn)，空氣作用于彈丸上的翻轉(zhuǎn)力矩相當(dāng)于陀螺的重力偶矩。當(dāng)彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，膛線就迫使它高速旋轉(zhuǎn)，并且在翻轉(zhuǎn)力偶矩的作用下，除自轉(zhuǎn)外，還以其質(zhì)心為中心繞彈道切線做圓錐運(yùn)動(dòng)，使彈軸與彈道切線始終保持很小的擺動(dòng)角（彈道學(xué)上稱(chēng)為章動(dòng)角）而不至于翻倒，從而保證了彈丸的穩(wěn)定飛行。

倘若膛線磨損，彈丸得不到應(yīng)有的旋速，再加上初速下降，彈丸飛行的穩(wěn)定性就會(huì)受到影響。另外，膛線崩落、膛線碰傷以及彈丸表面碰傷等，也都會(huì)使彈丸在飛行時(shí)失去穩(wěn)定性。彈丸飛行不穩(wěn)定，就會(huì)使射彈散布增大，甚至產(chǎn)生橫彈孔和橢圓彈孔，嚴(yán)重影響武器的性能。