磁懸浮陀螺是一個(gè)非常好玩且物美價(jià)廉的玩具，它可以穩(wěn)定地懸浮在半空中旋轉(zhuǎn)，這其中有什么奧妙？今天，我們將揭開(kāi)陀螺穩(wěn)定懸浮的神秘面紗。
　　 一位“民科”的成功
　　20多年前，當(dāng)美國(guó)一個(gè)小鎮(zhèn)上的發(fā)明怪人Roy Harrigan先生嘗試讓一塊磁鐵穩(wěn)定地懸浮在另外一塊磁鐵之上時(shí)，就有物理學(xué)家告誡他這是在浪費(fèi)時(shí)間，因?yàn)檫@違背了基本的物理規(guī)律恩紹定理。但Harrigan先生是一位自學(xué)成才的高中畢業(yè)生，對(duì)于那些大學(xué)物理才有可能學(xué)到的知識(shí)沒(méi)有什么了解，所以物理學(xué)家們的好意提醒他根本沒(méi)往心里去。當(dāng)然，作為一個(gè)優(yōu)秀的發(fā)明家，他了解曾經(jīng)有很多人嘗試過(guò)各種磁鐵的組合，但都沒(méi)能讓一塊小磁鐵懸浮在空中，所以他不打算重蹈覆轍。不過(guò)，這些人為什么會(huì)失敗呢？他注意到，當(dāng)一塊小磁鐵的某極靠近放在桌面上的另一塊小磁鐵的相同極時(shí)，空中的那塊小磁鐵會(huì)試圖翻個(gè)身，與桌面小磁鐵從相互排斥變成相互吸引。如果解決了這個(gè)問(wèn)題，空中的小磁鐵就有望能夠穩(wěn)定懸浮了。
　　這個(gè)問(wèn)題的解決方案也許現(xiàn)在看起來(lái)顯得很簡(jiǎn)單，但是不知道當(dāng)年Harrigan先生經(jīng)過(guò)多少次嘗試才找到它。


圖1 陀螺懸浮在空中的情景

　　我們都知道旋轉(zhuǎn)的陀螺可以直立不倒，這是因?yàn)橥勇莸慕莿?dòng)量守恒使得它試圖維持最開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)。那么如果我們把一塊小磁鐵鑲嵌在一個(gè)陀螺里，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)起來(lái)的時(shí)候就能夠有效抑制它的翻轉(zhuǎn)，這樣一來(lái)，阻礙磁鐵穩(wěn)定懸浮的難題應(yīng)該就可以解決了。這便是我們現(xiàn)在能從網(wǎng)上買到的物美價(jià)廉的“磁懸浮陀螺”（見(jiàn)圖1）。
　　玩過(guò)磁懸浮陀螺的朋友肯定了解這看似簡(jiǎn)單的想法要實(shí)踐起來(lái)是非常困難的。首先要克服的第一個(gè)難題就是在磁鐵底座上旋轉(zhuǎn)小陀螺，因?yàn)樵谀抢锿勇輹?huì)受到非常大的翻轉(zhuǎn)力矩。掌握了旋轉(zhuǎn)陀螺的秘笈后，需要小心翼翼地用圖一中的透明塑料板將旋轉(zhuǎn)中的陀螺抬高到懸浮位置。但是不管您多么小心，極有可能在離底座四五厘米的地方，陀螺騰空而起，緊接著又飄然而去。這時(shí)需要增加陀螺的重量（通過(guò)在陀螺轉(zhuǎn)軸上放置圓形墊片），并根據(jù)陀螺飛離的方向來(lái)抬高底座的某一邊（比如圖1中底座右邊的楔子就是使得底座右邊稍微抬高。如果沒(méi)有這塊楔子，陀螺就會(huì)朝右邊飛離平衡位置）。這個(gè)調(diào)試的過(guò)程需要耐心、觀察力和準(zhǔn)確的判斷力。
　　當(dāng)然，這一切努力的痛苦在陀螺成功懸浮后將會(huì)變成極大的喜悅，我們不得不對(duì)Harrigan先生產(chǎn)生由衷的欽佩。
　　至此，您是否會(huì)覺(jué)得自己已經(jīng)練成了獨(dú)步天下的陀螺磁懸浮秘笈？然而幾天之后您想給朋友展示這一奇觀時(shí)，很有可能發(fā)現(xiàn)原來(lái)的陀螺無(wú)法穩(wěn)定懸浮了，即使底座沒(méi)有移動(dòng)，陀螺的重量沒(méi)有改變。不要著急，這是因?yàn)闅鉁氐妮p微變化也足以改變磁鐵的強(qiáng)度。如果天氣變冷，那么磁鐵磁性變強(qiáng)，斥力增大，此時(shí)需要增加陀螺的重量；如果天氣變熱，那么磁鐵變?nèi)酰饬p小，此時(shí)需要減少陀螺的重量。
　　怎么實(shí)現(xiàn)磁懸浮
　　磁懸浮顧名思義，就是利用磁場(chǎng)，使得物體能夠懸浮在空中。目前有三種原理可以使用。
　　第一，自然物質(zhì)中存在著一種天然抗磁性的物質(zhì)（逆磁體），將這種物質(zhì)放在磁場(chǎng)中，它將推開(kāi)周圍的磁場(chǎng)，從而在磁場(chǎng)中懸浮起來(lái)。這種物質(zhì)聽(tīng)起來(lái)很神奇，但其實(shí)它們廣泛存在于自然界，水、水銀等不少常見(jiàn)物質(zhì)都是抗磁性物質(zhì)。
　　然而這種物質(zhì)應(yīng)用起來(lái)就存在一個(gè)問(wèn)題，那就是天然物質(zhì)的抗磁性都非常的弱，要使用很強(qiáng)的磁場(chǎng)才能產(chǎn)生顯著的效果，因此一直很難廣泛應(yīng)用。


圖2 青蛙懸浮在空中（當(dāng)外加磁場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，青蛙的抗磁性物質(zhì)具有的抗磁力足以平衡其重力，而讓它懸浮在空中，圖片取自荷蘭Radboud University Nijmegen強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)站）

　　第二種原理其實(shí)也就是最普通的原理——同性相斥。道理很簡(jiǎn)單，只需要將兩塊磁鐵同極對(duì)在一起，沒(méi)有足夠克服磁場(chǎng)斥力的力量是無(wú)法將這兩塊磁鐵壓到一起的，似乎只需要一個(gè)足夠強(qiáng)大的磁場(chǎng)，我們能浮起任何重量的東西，換成阿基米德的名言來(lái)說(shuō)就是“給我一個(gè)磁場(chǎng)，我能浮起地球”，但真的就是那么簡(jiǎn)單嗎？
　　第三種原理是超導(dǎo)抗磁性，處于超導(dǎo)狀態(tài)下的物質(zhì)由于邁斯納效應(yīng)將排斥周圍所有的磁場(chǎng)，以確保自身的磁場(chǎng)不發(fā)生變化。但其應(yīng)用方式是跟第二種原理差不多，所以就不展開(kāi)了。
　　磁懸浮穩(wěn)不了？
　　磁懸浮的相關(guān)概念早在1922年就已經(jīng)提出，但其研究過(guò)程卻經(jīng)歷了差不多半個(gè)世紀(jì)才走上實(shí)際應(yīng)用。其中最核心的一個(gè)問(wèn)題就是磁懸浮的穩(wěn)定。
　　玩過(guò)磁鐵的人都知道這個(gè)現(xiàn)象，當(dāng)把磁鐵的一極推向另一塊磁鐵的同極時(shí)，另一塊磁鐵會(huì)后退一段距離，繼續(xù)推進(jìn)第一塊磁鐵，第二塊磁鐵一定會(huì)慢慢偏離推進(jìn)的路線，直到磁鐵的另一極“當(dāng)”的一聲吸在第一塊磁鐵上。即使你再小心地慢慢推，這一幕也是必定會(huì)發(fā)生。
　　有人或許覺(jué)得這是因?yàn)闂l形磁鐵不夠穩(wěn)定，那么我們換成兩塊扁平的磁鐵，它們各自的平面就是磁極，把這兩塊磁鐵放在一起是否可以形成穩(wěn)定的磁懸浮狀態(tài)呢？
　　答案還是不行。
　　這里就牽涉到磁場(chǎng)的一個(gè)著名性質(zhì)推理——恩紹定理。恩紹定理是由電場(chǎng)的場(chǎng)方程推導(dǎo)出的，但其在磁場(chǎng)中有著更為顯著和廣泛的應(yīng)用。其在磁場(chǎng)中的表述為：不能由單一穩(wěn)定磁場(chǎng)來(lái)維持一個(gè)穩(wěn)定的力學(xué)結(jié)構(gòu)，即只用一組磁鐵而不施加其他外力是無(wú)法造出穩(wěn)定的磁懸浮結(jié)構(gòu)。
　　恩紹定理的理論是通過(guò)數(shù)學(xué)來(lái)表達(dá)的，這里可以通過(guò)一個(gè)小小的思想實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明一下在磁場(chǎng)中驗(yàn)證過(guò)程。與電不同，磁并沒(méi)有單一的磁荷，即使分的再小的基本粒子依然同時(shí)有著N極和S極，N極和S極間必然有著一段磁距，因此對(duì)于任何帶有磁極的物質(zhì)，要在一個(gè)磁場(chǎng)中穩(wěn)定下來(lái)，勢(shì)必只有磁距垂直于排斥面才行，而且必須嚴(yán)格垂直，一旦出現(xiàn)微小的角度偏移也必然會(huì)出現(xiàn)受力不均從而出現(xiàn)力矩，這個(gè)力矩會(huì)被磁場(chǎng)的力量逐漸放大最終失去平穩(wěn)狀態(tài)，就像之前推條形磁鐵的情況一樣，也就是說(shuō)在這種情況下磁懸浮對(duì)于微小的擾動(dòng)是不穩(wěn)定的。

　　圖3 圖示為處于鞍點(diǎn)上的小球。恩紹定理的關(guān)鍵結(jié)論是，一塊永久磁鐵在恒定磁場(chǎng)中的勢(shì)能只可能具有鞍點(diǎn)，而不可能具有最低點(diǎn)。這個(gè)鞍點(diǎn)從左右方向看是勢(shì)能極小值，從前后方向看是勢(shì)能極大值，總的形狀就像是一個(gè)馬鞍，小球在左右方向上是穩(wěn)定的。如果你小心地把它往左推，它還是能滾回到現(xiàn)在的位置。但是小球在前后方向上是不穩(wěn)定的，因?yàn)樯晕⒂星昂蠓较虻娘L(fēng)吹草動(dòng)，它就溜走了。這就是勢(shì)能鞍點(diǎn)的特性，至少有一個(gè)方向上它是不穩(wěn)定的。
　　正是這個(gè)原因阻礙了磁懸浮的應(yīng)用，在現(xiàn)實(shí)生活中大氣的擾動(dòng)、地面的震動(dòng)，甚至人們的呼吸都可以導(dǎo)致磁懸浮失穩(wěn)，顯然這樣的東西根本就走不出實(shí)驗(yàn)室，無(wú)法在實(shí)際中應(yīng)用。那么有沒(méi)有辦法克服這一困難呢？
　　自制磁懸浮陀螺
　　答案還是有的，否則就不用在這里廢話了。恩紹定理的成立需要滿足兩個(gè)要求，一是單一，二是穩(wěn)定。接下來(lái)我們通過(guò)兩個(gè)實(shí)例分別來(lái)演示兩種巧妙方法。（注意！以下實(shí)驗(yàn)將會(huì)用到有一定強(qiáng)度的磁場(chǎng)，請(qǐng)?jiān)谶h(yuǎn)離電氣設(shè)備以及磁介質(zhì)存儲(chǔ)設(shè)備的場(chǎng)所進(jìn)行。）
　　第一種方法比較簡(jiǎn)單，只需要一大一小兩塊磁鐵，把小磁鐵放進(jìn)一個(gè)空心的陀螺里，兩塊磁鐵對(duì)在一起的磁極要相同，沒(méi)有陀螺的話也可以用紙片和牙簽做一個(gè)，但必須要足夠結(jié)實(shí)并且能夠旋轉(zhuǎn)起來(lái)。然后把做好的磁陀螺平放在磁鐵上，小心地扭動(dòng)陀螺上的柄將其旋轉(zhuǎn)起來(lái)。旋轉(zhuǎn)的陀螺給小磁鐵帶上了一個(gè)旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量，相當(dāng)于我們施加了一個(gè)外力強(qiáng)制讓陀螺穩(wěn)定，只要陀螺的旋轉(zhuǎn)不停下來(lái)，它就能穩(wěn)定地懸浮在大磁鐵之上。這個(gè)方法雖然簡(jiǎn)單，不過(guò)成功與否全看你的技巧是否高超。


圖4 讓陀螺旋轉(zhuǎn)

　　第二種方法是這里的主題，我們首先來(lái)想象一下，當(dāng)一塊小磁鐵在出現(xiàn)失穩(wěn)的瞬間，很顯然它的S極和N極同時(shí)受到來(lái)自大磁鐵的S極和N極的斥力和吸力，如果我們不加干預(yù)，自然最后小磁鐵就翻了個(gè)吸在了大磁鐵上。現(xiàn)在我們將大磁鐵的S極和N極突然倒過(guò)來(lái)，S極變N極，N極變S極，那么小磁鐵受到的力也會(huì)突然反轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，原來(lái)的吸力變成斥力，原來(lái)的斥力變成吸力，小磁鐵瞬間會(huì)向相反的方向運(yùn)動(dòng)——也就是回到之前的位置。顯然我們可以通過(guò)連續(xù)變化磁場(chǎng)，而將小磁鐵一直固定在一個(gè)位置。


圖5 驅(qū)動(dòng)陀螺磁懸浮的原理

　　要制作這樣一個(gè)磁懸浮裝置就需要一個(gè)隨時(shí)間轉(zhuǎn)變磁極的磁場(chǎng)，這種磁場(chǎng)被稱為交變磁場(chǎng)。產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的前提是需要一些專業(yè)的設(shè)備，不過(guò)現(xiàn)在單片機(jī)和集成電路都已經(jīng)非常普遍，普通人也可以自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn)了。
　　首先要制作一個(gè)電磁鐵，只有電磁鐵可以通過(guò)改變電流方向從而變化磁極。把直徑約為1毫米的漆包線緊密纏繞在一塊邊長(zhǎng)與底座磁鐵相當(dāng)?shù)蔫F片上即可，在有磁場(chǎng)通過(guò)的情況下，鐵這種可磁化的物質(zhì)可以產(chǎn)生一個(gè)相當(dāng)強(qiáng)的磁場(chǎng)。


圖6 用于產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的電磁鐵


圖7 電磁鐵放于底座之下

　　接下來(lái)我們需要一塊Arduino（一款風(fēng)靡全球磁懸浮愛(ài)好者中的單片機(jī)控制板，只需對(duì)該控制板進(jìn)行最簡(jiǎn)單的編程即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍電路的控制，任意型號(hào)均可）和一塊L298N驅(qū)動(dòng)板來(lái)控制電磁鐵來(lái)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)的電路。


圖8 Arduino控制電路板


圖9 L298N驅(qū)動(dòng)板

　　電路連接好以后，就可以把電磁鐵放在底座之下。注意，此時(shí)由于鐵片對(duì)底座磁場(chǎng)的加強(qiáng)，我們需要給陀螺增加更多重量才能保持懸浮穩(wěn)定。在通電之前，首要先通過(guò)調(diào)整陀螺質(zhì)量，底座的傾角來(lái)確保陀螺可以穩(wěn)定懸浮。
　　第二步就是接通電源，慢慢地增加給L298N的供電電壓。然后用手把陀螺放在穩(wěn)定懸浮的位置，如果能感受到震動(dòng)，那就表明磁場(chǎng)在起作用了。此時(shí)再嘗試把陀螺懸浮起來(lái)，當(dāng)它的轉(zhuǎn)速和驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的交變頻率接近時(shí)，就能看到懸浮的陀螺左右搖晃得厲害，遠(yuǎn)比沒(méi)有交變磁場(chǎng)時(shí)要?jiǎng)×遥@是交變磁場(chǎng)對(duì)陀螺進(jìn)行“鎖頻”的一個(gè)過(guò)程。如果鎖頻成功，陀螺就能永遠(yuǎn)保持固定的轉(zhuǎn)速，懸浮在空中了。


圖10 鎖頻以后的陀螺

　　結(jié)語(yǔ)
　　青蛙懸浮在空中是逆磁體懸浮的原理，陀螺懸浮在空中是通過(guò)交變磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)。兩種迥異的磁懸浮方式，卻有著異曲同工之妙，大自然熱鬧現(xiàn)象后面的門(mén)道值得我們深入探尋。

磁懸浮大揭秘

圖文簡(jiǎn)介

磁懸浮陀螺是一個(gè)非常好玩且物美價(jià)廉的玩具，它可以穩(wěn)定地懸浮在半空中旋轉(zhuǎn)……