惯性的妙用，你都知道吗

周晓秋

在八年级《物理》中，我们学到了牛顿第一定律，也知道了惯性是让物体保持原来运动状态不变的性质。尽管人类很早就和惯性打上交道，并在生活生产中不自觉地利用或规避惯性现象，但却很少有人真正意识到惯性的存在、原理和影响。

随着科技进步，惯性以不易想象的内容和途径越来越多地参与到人们的日常生活中，带给人们前所未有的精彩生活。本期，就让我们走进惯性的世界，了解无处不在的惯性新应用。

摔倒的原因示意图

陀螺保持稳定的原理

手机计步器 借助陀螺仪

惯性在人们孩提时就向每个人宣告了它的存在。无论是蹒跚学步的婴幼儿，还是健步行走的成年人，谁没有被地面障碍物绊倒的体验？

人走动或跑动时，整个人体获得了向前运动的速度。当其脚下被地面障碍物绊住时，因障碍物阻挡或受地面摩擦力的阻碍作用，脚步会停下，无法向前运动，但身体的上部却未受到阻力作用，依然要保持原有运动趋势继续前行，此时上身前倾，当倾斜的身体重心越过身体重心线后，被绊住的脚步未能及时向前移动以支撑身体平衡，在重力作用下，身体上半身获得向下的加速度，从而失去平衡，重重地砸向地面，这就是摔跤发生的原因。

其实，在许多智能设备中也隐藏着许多利用惯性的特殊功能。就拿走路健身来说，人们常使用智能手机的计步功能进行步数监测。那么手机是怎样进行计步的呢？

科学家发现高速自转的物体，其自转轴都能用来判别或标示一定的方向。譬如地球就是一个绕地轴高速旋转的天体，因此人们即使每天坐着也能“日行八万里”（相当于463米/秒，比声音在空气中的传播速度都大），故依据地轴的方向可以判别地球的南北方向，而人们也依据这一原理发明了陀螺仪。

智能手机内就安装有惯性陀螺仪装置，其中运用的旋转物或滑块结构，都是对惯性原理的运用。当手机随着人们使用而发生上下及前后左右等空间位置变化时，机体内的陀螺仪旋转体或滑块因惯性作用，并不能时时随机体的空间位置变化而立即改变，依然要保持原来的运动或静止状态，即保持原有的空间方向或位置，于是手机机体与陀螺仪旋转体的轴线就会出现偏差，或迫使陀螺仪中的惯性滑块与原有的空间位置出现位移，从而引起电路中的电流或电压等信息变化。手机就通过这个变化“感知”出方向的改变。

种类繁多的陀螺仪

当人们将手机放在身上步行或跑动时，手机的运动方向及幅度会产生有规律的姿态变化，惯性陀螺仪和一种被称为加速度计的部件便“感知”到手机姿态及空间位置的改变，通过大数据分析，将对应行走或跑步的规律性变化信息，以人们行进步数的信息呈现出来，这就是手机计步器功能的基本原理。

此外，科学家还利用陀螺仪“感知”方向和运动幅度的能力，开发出了手机或数码相机拍摄中的防抖功能，通过手机或相机不断地自我调整机身姿态，实现防抖效果。诸如智能手机具有的“摇一摇”找朋友、“发红包”或向既定收款账户支付钱款等功能，也离不开陀螺仪的惯性定位基础元件的作用。

智能导航 惯性帮忙

当然，单纯地运用惯性陀螺仪往往只能感知运动物体方向的改变，欲知运动物体运动的距离、时间和速度等信息，常常还要同时配合使用加速度计或角速度计进行空间运动状态的测量，而后根据其测量的数值，按照速度、加速度、距离及时间所存在的物理关系，经过相关数学计算，依次计算出此时运动物体的空间状态，从而判断出其所在的空间位置，并以数显或语音方式呈现出来。

科学家通过陀螺仪和角速度计、加速度计的共同作用，感知汽车运动方向和速度变化，及其运行距離，同时还将其与卫星定位系统结合起来，根据手机陀螺仪惯性定位的信息与卫星定位系统空间位置之间的时时变化情况，实时地计算出手机所处的空间地理位置，并以语音方式告知使用者，从而使手机具有了智能化的导航功能。

角速度计结构及工作原理示意图

如今使用的导航系统种类繁多，结构不同，且有的还要附设有关速度、距离及时间的计算程序，才能时时确定被导航物体的空间位置，但不管是机械陀螺仪、光学陀螺仪、微机械陀螺仪或电容陀螺仪构成的导航系统，都离不开旋转物或滑块等关键部件及结构。

除了汽车以外，飞机航行、轮船远洋、无人驾驶，以及火箭和导弹的发射与飞行等很多广泛领域及工具中，都离不开陀螺仪的定位导航功能。

独轮、两轮电动车不倒的秘密

惯性陀螺仪还可用于调整运动物体的姿态，使其始终保持特定的状态。例如独轮或两轮电动平衡车，之所以能够做到让乘车者自如地驾驶而不会前后或左右倾倒的原因就在于其内部同样装有惯性陀螺仪和加速度计部件。

惯性陀螺仪和加速度计随时将骑车人身体倾斜引起的车身倾斜参数，及车体的运动速率等数据及时传送给微电脑进行计算，然后通过与设定的标准姿态参数进行比较，并根据比较结果迅速调整相关电机正反转，发出转动或停止运转等指令，从而使电动平衡车或前进或后退、或快或慢，亦或调整车身倾斜的程度。就这样，由于不断地调整平衡车的运动姿态或速度，从而确保车身始终能保持前后左右的平衡而不致倾覆。

压电式加速度传感器应用于安全气囊的起爆，刹车防抱死系统及定位巡航等方面，极大地提升汽车驾驶的安全性和稳定性。

独轮体感车与两轮电动车

VR虚拟入仙境AR现实眼前映

VR虚拟技术的信息输入方式与常见的鼠标或键盘输入不同，它通过人们穿戴的设备或各种操纵手柄，利用暗藏其中的陀螺仪等惯性元器件，通过人体在空中的姿态改变而引起的惯性信息来操控系统设备，在空中进行信息的动态输入。系统将输入的信息与系统预设的场景融合起来，使穿戴者透过眼前的屏幕，“进入”到无法想象的虚幻仙界或太空等空间，“身临其境”般地感受难以想象的虚拟世界;或“体验”充满风险的各式各样的极限运动等。

压电式加速度计及工作原理示意图

VR虚拟技术常用的惯性动作捕捉系统包含陀螺仪、加速度计和磁力计三个部分，分别用来处理旋转运动，直线运动和方向问题。简单地说，陀螺仪用来感知其是否“转身”，加速度计用来感知其“走”了多长“距离”，而磁力计则用于其运动的“方向”。三种传感器充分利用各自的特长来跟踪目标物体的运动。

所谓AR增强现实技术，简言之就是将虚拟场景与现实物体融为一体。即通过电子屏幕携带的摄像头，对准现实中事先设置好的真实物体或图片，当摄像头拍摄的影像通过惯性定位装置获取到真实物体或图片的定位信息后，通过与设备中内藏的信息比对，最终启动相关视频文件播放程序，随后在电子屏幕上便看到了与现实物体关联的虚拟图像或场景，此过程中惯性定位装置始终让虚拟场景跟踪现实事物，使二者保持高度融合。

在城镇沙盘实景中，将城镇拟建的建筑物利用虚拟技术在沙盘的相应区域呈现出设计师所设计的待建建筑影像，不仅能让人直观地看到其效果，而且还能任意地调整虚拟的造型，比实景模型效率更高，而成本更低、更直观。

AR 技术在城镇沙盘中的应用

风驰电掣过山车  重力惯性双驱策

惯性原理在很多领域也有精彩的运用，例如，惊险刺激的过山车和激流勇进游乐项目。当过山车从初始的制高点下滑后，就一直处于无动力状态。整个下滑过程中，完全依靠地心引力和惯性的共同作用。

当其穿越倒立轨道顶端时，环状轨道迫使过山车的运动变成了高速的圓周运动。故而获得了远离轨道圆心向外的离心力，尽管此时人和车都倒悬着，但在该离心力作用下，人和车都紧贴着轨道运动而不会掉下来。

游乐项目中的激流勇进与过山车有相似之处。在重力作用下游船从制高点俯冲后，将重力势能转换成游船向下的动能，以较大的速度冲入低点处的水道。当游船滑至轨道最低点时，垂直方向上游船所受重力与被水面对其的浮力相互抵消;而水平方向上，游船在下降过程中获得的高速度，使游船具有较大的惯性。正是这个惯性的存在，使游船到达轨道最低点时仍不会立即停下，还会在水平方向上继续快速前行，驱使游船船头和两侧快速撞击水面，激起浪花，给人以无穷的奇趣和刺激的感受。

其实，无论是手机导航，还是VR眼镜，这些惯性原理运用的事例不过是人类运用惯性现象的冰山一角。希望大家能以慧眼与胆识去发现和开辟更多更好运用惯性现象的事物，造福未来的人类。

过山车下滑过程中，依靠地心引力和惯性的共同作用