點擊下方音頻，讓耳朵“感受”力學

正文共有 1869 字

閱讀時間約 6 min

如果覺得眼睛太累

可以點擊音頻感受

你是否見過一種奇特的玩具，它外形對稱規整，看似普通，但是當我們讓其沿一個方向轉動的時候，最終它會沿反方向移動。這種看似“有點性格”的玩具，也被稱為“凱爾特石”。它是一個物理玩具，更是一塊讓無數物理學家驚嘆的“神奇之石”。那么，它究竟是如何做到不聽你話的呢？

運動中的凱爾特石（圖片來源：網絡）

什么是凱爾特石？

凱爾特石的本體，其實就是一種具有不對稱特性的小物體，通常由木頭、塑料或石材制成。它的外形類似半橢球體，底部略呈彎曲，并帶有一條稍微扭曲的主軸線，看起來像一艘彎彎的獨木舟，或是一顆光滑的杏仁。

往一個方向轉動，平穩地旋轉（圖片來源：[2]）

乍一看，這塊石頭好像左右對稱、普普通通。但當你試著用手讓它旋轉時，奇跡就出現了：

如果你朝某一個方向（比如順時針）撥動它，它會平穩順暢地一直轉下去，毫無異常。

可如果你朝相反方向（比如逆時針）轉動它，它只勉強轉上兩三圈，就會突然停下來，然后像“反悔”了一樣，自動掉頭朝著剛才那個平穩的方向旋轉回去。

往另一個方向轉動，不聽使喚（圖片來源：[1]）

一個看似對稱的物體，怎么會“偏心”地只喜歡一個方向轉動？這不就是和我們所理解的牛頓經典力學矛盾嗎？在解答這個問題之前，我們先來了解一下它的歷史與命名。

凱爾特石的歷史與命名

凱爾特石的得名源于19世紀考古學家對凱爾特和埃及史前石器的發現。這種神秘物體最早由英國人注意到，早期還被稱為“反向陀螺”或“擺動滾石”。它的英文名字為“Rattleback（抖退石）”或“Wobblestone（振動石）”，形象地描繪了它在桌面上的不規則滾動。

一款名為“頑固烏龜”的俄羅斯凱爾特石玩具（圖片來源：網絡）

如今，它成了物理演示實驗的經典道具，被廣泛用于中學、大學的力學課程中，作為非線性動力學的入門案例。

非對稱是關鍵

凱爾特石的奇妙行為，源于它的結構不對稱性，這包括兩個方面：

• 幾何不對稱：雖然魔石外形看起來對稱，但實際上它的底部曲率在不同方向上不一樣，也就是“曲率非對稱”。

• 質量分布不對稱：魔石內部的質量中心（質心）可能略微偏離幾何中心。

凱爾特魔石的重心cm并不在它和桌面的接觸點P的正上方（圖片來源：[1]）

這兩種不對稱共同作用，使得它在某個方向旋轉時產生不同的動態響應。當你讓它旋轉時，這些微妙的不對稱會導致復雜的耦合運動，從而出現“自發減速”、“方向反轉”等違反直覺的現象。

凱爾特石的動力學模型

為了理解這種反常行為，科學家建立了凱爾特石的剛體動力學模型。這個剛體動力學模型涉及到以下幾個關鍵物理概念：

1.進動與俯仰耦合

當你旋轉魔石時，它不僅僅發生繞垂直軸的旋轉（自轉），還會發生俯仰與滾擺。在普通的對稱陀螺體中，這些運動是獨立的。但在凱爾特石中，這三種運動發生了耦合。這種耦合可以讓俯仰和滾擺的振動逐漸“吸收”自轉的能量，使得魔石的自轉減速、甚至逆轉！

凱爾特石的滾動軸和俯仰軸（圖片來源：[4]）

2.非保守系統與角動量變化

魔石的運動是非保守的，也就是說，能量和角動量在不同形式之間不斷轉換。當你逆時針旋轉魔石時，由于曲率和質量分布的不對稱性，部分角動量被“轉移”到滾動和俯仰上，導致自轉迅速衰減。但由于角動量守恒，這個“被轉移”的能量會再次轉化回來，從而形成反向旋轉。

3.數學模型：非線性耦合微分方程

描述凱爾特石運動的數學模型是一組高度非線性的微分方程，通常包括6個自由度（3個位置、3個姿態角），而且還要考慮摩擦、曲率張量和慣性矩陣的變化。計算極其復雜，但核心思想可以簡化為：

一方向旋轉 → 動能耦合 → 能量轉移 → 反向旋轉。

科學家最早在1890年代由Walker對這種模型進行了理論研究，成為后續分析的基礎。此后涌現出大量研究論文，提出了各種理論解釋。

為什么只在一個方向“任性”？

你可能會問，既然有不對稱，為什么魔石只在一個方向上表現出“任性”？

金屬勺子制作的凱爾特石（圖片來源：[1]）

這是因為凱爾特石的結構設計是有偏向性的。通常設計者會讓其在順時針方向上具有穩定的旋轉模式，而在逆時針方向上觸發不穩定耦合。這類似于汽車輪胎的“單向排水”花紋，只在一個方向有效。魔石的結構就是它的“花紋”。

單導向花紋輪胎（圖片來源：[5]）

通過調整底部曲率張量、慣性主軸方向和質心位置，科學家甚至可以“定制”魔石在兩個方向上都不穩定，或都穩定，但那就沒這么有趣了。

凱爾特石看似在挑戰牛頓的定律，實則完美地展示了非對稱剛體動力學的奇妙世界。它用一個簡單的外殼，承載了高等力學、非線性系統、能量耦合等復雜概念，是力學科普的典范。

參考文獻：

[1]https://mp.weixin.qq.com/s/kh93dts6KTPy6i0i8h9VAA

[2]https://mp.weixin.qq.com/s/NMq3Wqw7dL3fROJfq5W3eA

[3]劉延柱.凱爾特石的動力學問題[C]//中國數學力學物理學高新技術交叉研究會.中國數學力學物理學高新技術交叉研究學會第十二屆學術年會論文集.上海交通大學工程力學系,2008:195-199.

[4]https://mp.weixin.qq.com/s/UiRkgQus05-o01-hDXGspA

[5]https://mp.weixin.qq.com/s/6eYg5MuPFBYab6Ncmgrp-w

[6]劉延柱. 退旋剛體的動力學解釋[C].上海力學, 1982, (4): 19-24.

[7]劉延柱. 趣味剛體動力學[M]. 北京: 高等教育出版社, 2008, 30-36.

來源：力學科普

編輯：子木

轉載內容僅代表作者觀點

不代表中科院物理所立場

如需轉載請聯系原公眾號