慣性的妙用，你都知道嗎

周曉秋

在八年級(jí)《物理》中，我們學(xué)到了牛頓第一定律，也知道了慣性是讓物體保持原來運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不變的性質(zhì)。盡管人類很早就和慣性打上交道，并在生活生產(chǎn)中不自覺地利用或規(guī)避慣性現(xiàn)象，但卻很少有人真正意識(shí)到慣性的存在、原理和影響。

隨著科技進(jìn)步，慣性以不易想象的內(nèi)容和途徑越來越多地參與到人們的日常生活中，帶給人們前所未有的精彩生活。本期，就讓我們走進(jìn)慣性的世界，了解無處不在的慣性新應(yīng)用。

摔倒的原因示意圖

陀螺保持穩(wěn)定的原理

手機(jī)計(jì)步器 借助陀螺儀

慣性在人們孩提時(shí)就向每個(gè)人宣告了它的存在。無論是蹣跚學(xué)步的嬰幼兒，還是健步行走的成年人，誰沒有被地面障礙物絆倒的體驗(yàn)？

人走動(dòng)或跑動(dòng)時(shí)，整個(gè)人體獲得了向前運(yùn)動(dòng)的速度。當(dāng)其腳下被地面障礙物絆住時(shí)，因障礙物阻擋或受地面摩擦力的阻礙作用，腳步會(huì)停下，無法向前運(yùn)動(dòng)，但身體的上部卻未受到阻力作用，依然要保持原有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)繼續(xù)前行，此時(shí)上身前傾，當(dāng)傾斜的身體重心越過身體重心線后，被絆住的腳步未能及時(shí)向前移動(dòng)以支撐身體平衡，在重力作用下，身體上半身獲得向下的加速度，從而失去平衡，重重地砸向地面，這就是摔跤發(fā)生的原因。

其實(shí)，在許多智能設(shè)備中也隱藏著許多利用慣性的特殊功能。就拿走路健身來說，人們常使用智能手機(jī)的計(jì)步功能進(jìn)行步數(shù)監(jiān)測(cè)。那么手機(jī)是怎樣進(jìn)行計(jì)步的呢？

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)高速自轉(zhuǎn)的物體，其自轉(zhuǎn)軸都能用來判別或標(biāo)示一定的方向。譬如地球就是一個(gè)繞地軸高速旋轉(zhuǎn)的天體，因此人們即使每天坐著也能“日行八萬里”（相當(dāng)于463米/秒，比聲音在空氣中的傳播速度都大），故依據(jù)地軸的方向可以判別地球的南北方向，而人們也依據(jù)這一原理發(fā)明了陀螺儀。

智能手機(jī)內(nèi)就安裝有慣性陀螺儀裝置，其中運(yùn)用的旋轉(zhuǎn)物或滑塊結(jié)構(gòu)，都是對(duì)慣性原理的運(yùn)用。當(dāng)手機(jī)隨著人們使用而發(fā)生上下及前后左右等空間位置變化時(shí)，機(jī)體內(nèi)的陀螺儀旋轉(zhuǎn)體或滑塊因慣性作用，并不能時(shí)時(shí)隨機(jī)體的空間位置變化而立即改變，依然要保持原來的運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)，即保持原有的空間方向或位置，于是手機(jī)機(jī)體與陀螺儀旋轉(zhuǎn)體的軸線就會(huì)出現(xiàn)偏差，或迫使陀螺儀中的慣性滑塊與原有的空間位置出現(xiàn)位移，從而引起電路中的電流或電壓等信息變化。手機(jī)就通過這個(gè)變化“感知”出方向的改變。

種類繁多的陀螺儀

當(dāng)人們將手機(jī)放在身上步行或跑動(dòng)時(shí)，手機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向及幅度會(huì)產(chǎn)生有規(guī)律的姿態(tài)變化，慣性陀螺儀和一種被稱為加速度計(jì)的部件便“感知”到手機(jī)姿態(tài)及空間位置的改變，通過大數(shù)據(jù)分析，將對(duì)應(yīng)行走或跑步的規(guī)律性變化信息，以人們行進(jìn)步數(shù)的信息呈現(xiàn)出來，這就是手機(jī)計(jì)步器功能的基本原理。

此外，科學(xué)家還利用陀螺儀“感知”方向和運(yùn)動(dòng)幅度的能力，開發(fā)出了手機(jī)或數(shù)碼相機(jī)拍攝中的防抖功能，通過手機(jī)或相機(jī)不斷地自我調(diào)整機(jī)身姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)防抖效果。諸如智能手機(jī)具有的“搖一搖”找朋友、“發(fā)紅包”或向既定收款賬戶支付錢款等功能，也離不開陀螺儀的慣性定位基礎(chǔ)元件的作用。

智能導(dǎo)航 慣性幫忙

當(dāng)然，單純地運(yùn)用慣性陀螺儀往往只能感知運(yùn)動(dòng)物體方向的改變，欲知運(yùn)動(dòng)物體運(yùn)動(dòng)的距離、時(shí)間和速度等信息，常常還要同時(shí)配合使用加速度計(jì)或角速度計(jì)進(jìn)行空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量，而后根據(jù)其測(cè)量的數(shù)值，按照速度、加速度、距離及時(shí)間所存在的物理關(guān)系，經(jīng)過相關(guān)數(shù)學(xué)計(jì)算，依次計(jì)算出此時(shí)運(yùn)動(dòng)物體的空間狀態(tài)，從而判斷出其所在的空間位置，并以數(shù)顯或語音方式呈現(xiàn)出來。

科學(xué)家通過陀螺儀和角速度計(jì)、加速度計(jì)的共同作用，感知汽車運(yùn)動(dòng)方向和速度變化，及其運(yùn)行距離，同時(shí)還將其與衛(wèi)星定位系統(tǒng)結(jié)合起來，根據(jù)手機(jī)陀螺儀慣性定位的信息與衛(wèi)星定位系統(tǒng)空間位置之間的時(shí)時(shí)變化情況，實(shí)時(shí)地計(jì)算出手機(jī)所處的空間地理位置，并以語音方式告知使用者，從而使手機(jī)具有了智能化的導(dǎo)航功能。

角速度計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖

如今使用的導(dǎo)航系統(tǒng)種類繁多，結(jié)構(gòu)不同，且有的還要附設(shè)有關(guān)速度、距離及時(shí)間的計(jì)算程序，才能時(shí)時(shí)確定被導(dǎo)航物體的空間位置，但不管是機(jī)械陀螺儀、光學(xué)陀螺儀、微機(jī)械陀螺儀或電容陀螺儀構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)，都離不開旋轉(zhuǎn)物或滑塊等關(guān)鍵部件及結(jié)構(gòu)。

除了汽車以外，飛機(jī)航行、輪船遠(yuǎn)洋、無人駕駛，以及火箭和導(dǎo)彈的發(fā)射與飛行等很多廣泛領(lǐng)域及工具中，都離不開陀螺儀的定位導(dǎo)航功能。

獨(dú)輪、兩輪電動(dòng)車不倒的秘密

慣性陀螺儀還可用于調(diào)整運(yùn)動(dòng)物體的姿態(tài)，使其始終保持特定的狀態(tài)。例如獨(dú)輪或兩輪電動(dòng)平衡車，之所以能夠做到讓乘車者自如地駕駛而不會(huì)前后或左右傾倒的原因就在于其內(nèi)部同樣裝有慣性陀螺儀和加速度計(jì)部件。

慣性陀螺儀和加速度計(jì)隨時(shí)將騎車人身體傾斜引起的車身傾斜參數(shù)，及車體的運(yùn)動(dòng)速率等數(shù)據(jù)及時(shí)傳送給微電腦進(jìn)行計(jì)算，然后通過與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果迅速調(diào)整相關(guān)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，發(fā)出轉(zhuǎn)動(dòng)或停止運(yùn)轉(zhuǎn)等指令，從而使電動(dòng)平衡車或前進(jìn)或后退、或快或慢，亦或調(diào)整車身傾斜的程度。就這樣，由于不斷地調(diào)整平衡車的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)或速度，從而確保車身始終能保持前后左右的平衡而不致傾覆。

壓電式加速度傳感器應(yīng)用于安全氣囊的起爆，剎車防抱死系統(tǒng)及定位巡航等方面，極大地提升汽車駕駛的安全性和穩(wěn)定性。

獨(dú)輪體感車與兩輪電動(dòng)車

VR虛擬入仙境AR現(xiàn)實(shí)眼前映

VR虛擬技術(shù)的信息輸入方式與常見的鼠標(biāo)或鍵盤輸入不同，它通過人們穿戴的設(shè)備或各種操縱手柄，利用暗藏其中的陀螺儀等慣性元器件，通過人體在空中的姿態(tài)改變而引起的慣性信息來操控系統(tǒng)設(shè)備，在空中進(jìn)行信息的動(dòng)態(tài)輸入。系統(tǒng)將輸入的信息與系統(tǒng)預(yù)設(shè)的場景融合起來，使穿戴者透過眼前的屏幕，“進(jìn)入”到無法想象的虛幻仙界或太空等空間，“身臨其境”般地感受難以想象的虛擬世界;或“體驗(yàn)”充滿風(fēng)險(xiǎn)的各式各樣的極限運(yùn)動(dòng)等。

壓電式加速度計(jì)及工作原理示意圖

VR虛擬技術(shù)常用的慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)包含陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)三個(gè)部分，分別用來處理旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，直線運(yùn)動(dòng)和方向問題。簡單地說，陀螺儀用來感知其是否“轉(zhuǎn)身”，加速度計(jì)用來感知其“走”了多長“距離”，而磁力計(jì)則用于其運(yùn)動(dòng)的“方向”。三種傳感器充分利用各自的特長來跟蹤目標(biāo)物體的運(yùn)動(dòng)。

所謂AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，簡言之就是將虛擬場景與現(xiàn)實(shí)物體融為一體。即通過電子屏幕攜帶的攝像頭，對(duì)準(zhǔn)現(xiàn)實(shí)中事先設(shè)置好的真實(shí)物體或圖片，當(dāng)攝像頭拍攝的影像通過慣性定位裝置獲取到真實(shí)物體或圖片的定位信息后，通過與設(shè)備中內(nèi)藏的信息比對(duì)，最終啟動(dòng)相關(guān)視頻文件播放程序，隨后在電子屏幕上便看到了與現(xiàn)實(shí)物體關(guān)聯(lián)的虛擬圖像或場景，此過程中慣性定位裝置始終讓虛擬場景跟蹤現(xiàn)實(shí)事物，使二者保持高度融合。

在城鎮(zhèn)沙盤實(shí)景中，將城鎮(zhèn)擬建的建筑物利用虛擬技術(shù)在沙盤的相應(yīng)區(qū)域呈現(xiàn)出設(shè)計(jì)師所設(shè)計(jì)的待建建筑影像，不僅能讓人直觀地看到其效果，而且還能任意地調(diào)整虛擬的造型，比實(shí)景模型效率更高，而成本更低、更直觀。

AR 技術(shù)在城鎮(zhèn)沙盤中的應(yīng)用

風(fēng)馳電掣過山車??重力慣性雙驅(qū)策

慣性原理在很多領(lǐng)域也有精彩的運(yùn)用，例如，驚險(xiǎn)刺激的過山車和激流勇進(jìn)游樂項(xiàng)目。當(dāng)過山車從初始的制高點(diǎn)下滑后，就一直處于無動(dòng)力狀態(tài)。整個(gè)下滑過程中，完全依靠地心引力和慣性的共同作用。

當(dāng)其穿越倒立軌道頂端時(shí)，環(huán)狀軌道迫使過山車的運(yùn)動(dòng)變成了高速的圓周運(yùn)動(dòng)。故而獲得了遠(yuǎn)離軌道圓心向外的離心力，盡管此時(shí)人和車都倒懸著，但在該離心力作用下，人和車都緊貼著軌道運(yùn)動(dòng)而不會(huì)掉下來。

游樂項(xiàng)目中的激流勇進(jìn)與過山車有相似之處。在重力作用下游船從制高點(diǎn)俯沖后，將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成游船向下的動(dòng)能，以較大的速度沖入低點(diǎn)處的水道。當(dāng)游船滑至軌道最低點(diǎn)時(shí)，垂直方向上游船所受重力與被水面對(duì)其的浮力相互抵消;而水平方向上，游船在下降過程中獲得的高速度，使游船具有較大的慣性。正是這個(gè)慣性的存在，使游船到達(dá)軌道最低點(diǎn)時(shí)仍不會(huì)立即停下，還會(huì)在水平方向上繼續(xù)快速前行，驅(qū)使游船船頭和兩側(cè)快速撞擊水面，激起浪花，給人以無窮的奇趣和刺激的感受。

其實(shí)，無論是手機(jī)導(dǎo)航，還是VR眼鏡，這些慣性原理運(yùn)用的事例不過是人類運(yùn)用慣性現(xiàn)象的冰山一角。希望大家能以慧眼與膽識(shí)去發(fā)現(xiàn)和開辟更多更好運(yùn)用慣性現(xiàn)象的事物，造福未來的人類。

過山車下滑過程中，依靠地心引力和慣性的共同作用