陀螺原理与螺旋膛线

陀螺原理与螺旋膛线

小时候，差不多人人都玩过陀螺。说来也怪，这种圆锥形的东西，转得越快它越稳，一旦停止转动就会立刻歪倒。孩子们只不过把它当作一种有趣的玩具。我们如果仔细看一看，就会发现弹丸的旋转与陀螺的运动是一样的。

陀螺是有一定重量的。当把它竖在平地上时，因为重力和支点的作用力组成了一个力偶，所以只要稍有倾斜就会翻倒。但若使它高速旋转起来，虽然也受到了力偶的作用，但它不仅不会翻倒，还会围绕垂直轴做圆锥运动。

这是什么道理呢?芽原来，陀螺在旋转的时候，不但围绕本身的轴线转动，而且还围绕一个垂直轴做锥形运动。也就是说，陀螺一面围绕本身的轴线做“自转”，一面围绕垂直轴做“公转”。陀螺围绕自身轴线做“自转”运动速度的快慢，决定着陀螺摆动角的大小。转得越慢，摆动角越大，稳定性越差；转得越快，摆动角越小，因而稳定性也就越好。这和人们骑自行车的道理差不多。其中不同的是，一个是做直线运动，一个是做圆锥形的曲线运动。陀螺高速自转时，在重力偶作用下，不沿力偶方向翻倒，而绕道支点的垂直轴做圆锥运动的现象，就是陀螺原理。

那么，陀螺原理与螺旋膛线有什么关系呢？

大家都有这样的体会，投掷手榴弹时，如果用力不当，手榴弹出手后就会摇摇晃晃甚至翻跟斗。不仅影响命中精度，而且会大大缩短投掷距离。用枪炮发射的弹丸也是这样。早期的枪炮都是没有膛线的，因而射击距离近、精度差。自从十七世纪有了膛线之后，射击的距离和精度才有了明显的提高。

弹丸在膛线的作用下旋转，这与高速旋转的陀螺运动原理是一样的。弹轴相当于陀螺轴，弹道切线相当于垂直轴，弹丸飞行中的章动角相当于陀螺的摆动角，弹丸的质心相当于陀螺的支点，空气作用于弹丸上的翻转力矩相当于陀螺的重力偶矩。当弹丸在膛内运动时，膛线就迫使它高速旋转，并且在翻转力偶矩的作用下，除自转外，还以其质心为中心绕弹道切线做圆锥运动，使弹轴与弹道切线始终保持很小的摆动角（弹道学上称为章动角）而不至于翻倒，从而保证了弹丸的稳定飞行。

倘若膛线磨损，弹丸得不到应有的旋速，再加上初速下降，弹丸飞行的稳定性就会受到影响。另外，膛线崩落、膛线碰伤以及弹丸表面碰伤等，也都会使弹丸在飞行时失去稳定性。弹丸飞行不稳定，就会使射弹散布增大，甚至产生横弹孔和椭圆弹孔，严重影响武器的性能。