溜溜球原理

溜溜球原理

表面看来，溜溜球只是个极为简单的玩具：无非就是一段

绳子连着一个线轴。但一到行家手里，它就变得异常奇妙。

熟练的溜溜球玩家能让溜溜球向各个方向飞出，悬停在半

空中，然后迅速收回掌内。这些普通绳子和木头（或塑料）

就仿佛有了生命！

这看起来像在变戏法，其实只是利用了物理原理。无论是传统溜溜球，还是近年出现的精密自动溜溜球，都清晰展现出基本的科学原理。 溜溜球的设计改进

一直以来，溜溜球都是广受欢迎、经久不衰的玩具。早在2500多年前，古希腊人就开始玩溜溜球，但也有证据表明，中国人在那之前就有了类似玩具。不管怎样，都证明溜溜球的历史非常悠久——除洋娃娃外，比其他任何玩具都古老。

岁月变迁，溜溜球的设计也几经修改。最初的设计是将绳子紧系于轮轴上，这种设计一直流行到20世纪初，而且在十八九世纪的欧洲风靡一时，当时还有过很多名字，如bandelore 、quiz 和L'emigrette 。

现代溜溜球于20世纪20年代从菲律宾传入美国（见下图），其绳子只是环绕在轮轴上。要理解这种差别的重要性，先看看两种溜溜球运用的物理原理。

历经数百年，溜溜球仍是广受欢迎的玩具。

最初的溜溜球在设计时是将绳子紧系在轮轴上。而现代溜溜球只是让

绳子环绕在轮轴上，这样溜溜球就能“悬停”。

无论哪种溜溜球，玩家都会把绳子紧紧缠绕在轮轴上。溜溜球在玩家手中时，具有一定的势能（位置能量）。这种势能分为两种不同形式：

溜溜球被持在空中，因此具有落向地面的势能。

绳子环绕着溜溜球，因此放线时有旋转的势能。

玩家投放溜溜球时，上述两种形式的势能都会转化为动能。溜溜球的线轴垂直落向地面，形成一定的线动量（直线中的动量）。同时绳子展开、线轴旋转，形成角动量（旋转的动量）。

当溜溜球到达绳子底端时，就不能继续下降了。但由于它还有很多角动量，因此会继续旋转。

旋转运动让溜溜球获得陀螺稳定性。物体旋转时外力会随物体本身一起移动，因此物体能抵抗对转动轴的改变。例如，如果在转轮顶端的某点推一下，当这个点移到转轮前端时，施加的力依然存在。受力点继续移动，并最终对转轮的底端施力，从而与最初施加在顶端的力自行抵消。因此，只要溜溜球的旋转速度够快，就能使其转轴与绳子保持垂直。（请参阅陀螺仪原理了解更多信息。）

如果按最初的设计将绳子紧系在轮轴上，那么旋转的轮轴就会抓紧绳子并开始重新绕线，溜溜球也会沿绳子向上攀回。溜溜球重新绕线产生的摩擦力会损失能量，因此玩家必须稍稍拖曳绳子补偿能量。

而现代溜溜球的绳子只是环绕在轮轴上，因此二者间的摩擦力变小了。线轴完全展开时，并不会自动弹回，只会空转。要让溜溜球重新绕线，玩家只需用力拉一下绳子。拉绳会暂时增加绳子和轮轴之间的摩擦力，于是轮轴开始重新绕线。只要开始绕线，这种溜溜球就能像早期的溜溜球一样回到玩家手中。

让溜溜球的线轴在绳子底端旋转——或“悬停”，是这种游戏一个颇为有趣的挑战。溜溜球玩家在让线轴悬停的同时，还要用绳子做出各种形状，并让溜溜球围着自己转动。另一种技巧是“遛狗”——在收回溜溜球之前让旋转的线轴沿地面滚动。

多年来，为了让这些技巧更容易完成，制造商们推出了大量装置

让溜溜球悬停

对大多数人来说，玩溜溜球最难的就是让线轴悬停得久一些，以便做点花式技巧。要让普通的溜溜球悬停一会，就必须用力抛出，使其具有强大的角动量。但如果快速抛出溜溜球，手可能会抖动，于是又把线轴拉回。此外，溜溜球新手在“收”球方面也会遇到问题（中断悬停）。要经过大量练习才能使平衡力恰到好处，让溜溜球顺利悬停。

溜溜球制造商尝试过许多方式，希望能让溜溜球更易于悬停和收回。最简单的改进方法之一就是重新分配溜溜球的内部重量，以改变其惯性矩。

物体的惯性矩可衡量其抵抗旋转变化的能力。它取决于以下两个因素：物体质量以及该质量到物体转动轴的距离。质量越大就越难开始和停止旋转；质量到转动轴的距离越长也会如此，例如铺平的粘土块，就比质量相同但紧凑的粘土球更难旋转。

如果溜溜球两个圆片的惯性矩增加，溜溜球就能悬停更长时间，停止旋转也更难。为此，制造商通常让高性能溜溜球的重量集中在线轴外沿。这样一来，转动轴和大部分质量之间的距离更远，线轴就能获得更大的惯性矩。

另一种方法是进一步让溜溜球绳子和轮轴之间的摩擦力减小。一种盛行的方式是沿溜溜球的轮轴安装滚珠轴承装置，这样就能让轴、绳分离。通过下列图解，可以了解典型的轴承系统如何运作。

装有滚珠轴承的溜溜球：滚珠轴承会减少绳轴之间的摩擦力，更利于

溜溜球“悬停”。

轴承装置还包括两个轴承圈，这是滚珠轴承必备的槽道。内圈直接环绕轮轴，并与外圈相距一个轴承的宽度。滚珠轴承则放置在两个轴承圈之间。溜溜球的绳子就缠绕在外圈上，因此不会碰触轮轴。两个轴承圈也没有互相绑定：内圈可以在外圈之内稍稍倾斜。

当您抛出溜溜球时，放线动作会带动外圈旋转。而抛力又令外圈里的内圈倾斜，增加两个轴承圈与滚珠轴承之间的摩擦力。倾斜会导致两个轴承圈彼此咬合，让它们动作一致。这样一来，旋转的外圈就带动内圈旋转，从而令溜溜球的轮轴旋转。

当溜溜球到达绳子底端时，两个旋转圆片的陀螺运动会使两个轴承圈平行，让它们互相对齐。实现这种结构后，滚珠轴承就能在两个轴承圈之间平稳移动。经过适当润滑的轴承能大大减少两个轴承圈之间的摩擦力。而摩擦力减少，轮轴就更容易旋转，也就能增加悬停时间。

若想收回溜溜球，就用力拉绳子。这会令外圈相对于内圈倾斜，增加轴承的摩擦力。于是轴承装置再次咬合，外圈的旋转带动溜溜球沿绳子向上回滚。

这种装置更利于溜溜球悬停，但对收回溜溜球却没有多大帮助

自动溜溜球

在20世纪90年代的溜溜球热潮中，一种新型的自动溜溜球开始四处兴盛。这种溜溜球的主要制造商Yomega在广告中称自己的产品为“有大脑的溜溜球”。的确，这种溜溜球看上去仿佛具有某种程度的智力，因为它们精确知道何时悬停及收回，但所谓“大脑”其实只是一个离心离合器。下列图解可供您了解这种装置的运作方式。

当这种溜溜球快速旋转时，离合器装置会松开轮轴；在溜溜球速度减

缓时又会重新咬合。这就让溜溜球在停止转动前自动收回。

与上一节介绍的滚珠轴承溜溜球一样，这种溜溜球也不会让绳子直接碰触轮轴。而只是让绳子绕在主轴上。轮轴安装在溜溜球的两个圆片上，并穿过主轴中间，但主轴和轮轴其实并不相连。

然而，在离合装置的作用下，当溜溜球缓慢旋转时，主轴和轮轴运动会一致。离合装置安放在一个溜溜球圆片中，它包括两条金属弹簧臂。弹簧臂的一端加重，另一端则连接到溜溜球上。当溜溜球静止或缓慢旋转时，弹簧将离合器臂推向主轴，让主轴的旋转带动整个溜溜球。但当溜溜球加速时，离心力将离合器臂的加重端朝弹簧向外推。离合器臂松开主轴，于是主轴和溜溜球的其他部位都独立运动。

溜溜球在刚刚抛出时旋转缓慢。于是离合器咬合，主轴放线时带动圆片旋转。但就在溜溜球到达绳子底端前，由于旋转速度快，离合器会松开主轴。圆片的角动量让溜溜球保持旋转，但主轴的速度会减慢。最终圆片的速度也减慢，作用于弹簧臂的离心力也变小。当向外的离心力小于弹簧向内的力时，弹簧臂会紧紧夹住主轴。这会将圆片的旋转运动带回主轴，让主轴重新绕线并回到你的手中。

这种玩具的制作工艺比古希腊的陶瓦溜溜球精巧了很多，但基本魅力丝毫没有退减。溜溜球之所以一直广受欢迎，正是凭借了它的简单。取一个普通线轴、轻扬手腕，便可将其变成自动旋转的陀螺，这其中有着无法言述的玄妙。无论溜溜球里添加了多么先进的装置，这个简单的玩具都会是人们的挚爱。