想象一下花样滑冰运动员原地旋转的情景。起初她张开双臂慢慢地转，可就在把手臂收向胸前的一瞬间，她转得快到让人目不暇接。没有人推她，旋转却自己加快了。隐藏在这一神奇画面背后的物理定律，就是“角动量守恒（Conservation of Angular Momentum）”。
简单来说，角动量守恒是指“如果没有外部作用改变其转动，旋转物体所具有的转动量就会保持不变”。这一原理与动量守恒、能量守恒一起被视为物理学中最基本的守恒定律，适用于从小小的陀螺到行星和恒星在内的一切旋转之物。
本文将依次介绍角动量的概念与守恒原理、体育和生活中的例子、宇宙中显现的巨大旋转，以及利用这一原理的技术。
正在旋转的物体总想继续旋转
什么是角动量？
正如沿直线运动的物体具有动量，旋转的物体具有角动量。角动量是同时表示物体转得多有力以及朝哪个方向旋转的物理量。
（1）转动惯量与角速度的乘积
角动量（L）是转动惯量（I）与角速度（ω）的乘积，写作L = I × ω。角速度表示转得有多快，转动惯量则表示改变转动状态有多难。质量越大，而且质量分布得离转轴越远，转动惯量就越大。
（2）没有外力矩时的守恒
使转动加快或减慢的力的效果称为力矩（Torque）。如果没有外部力矩作用，角动量就保持不变。因此，转动惯量减小时，角速度会相应增大；转动惯量增大时，角速度则会变慢。这是因为两者的乘积必须始终保持不变。
体育和生活中的角动量守恒
角动量守恒用我们自己的身体也很容易体验到。
- 花样滑冰旋转（Figure Skating Spin）：把手臂和腿收拢到靠近转轴的位置，身体的转动惯量就会减小，旋转随之加快；再把手臂张开，旋转就会变慢。运动员利用这一原理控制旋转速度，并平稳地收尾。
- 跳水空翻（Diving Somersault）：跳水运动员离开跳板那一刻获得的角动量，在空中无法改变。因此他们先把身体紧紧抱成一团，快速翻转好几周，在入水前再把身体完全伸展开来，让旋转慢下来。
- 转椅实验（Rotating Chair Experiment）：坐在转椅上，双手拿着重物张开手臂旋转，然后把手臂收向胸前，转椅就会明显加快。
猫从高处落下时总是脚先着地，也与这一定律有关。即使下落时没有旋转，猫也会交替收拢和伸展前腿与后腿，同时扭转腰部，依次转动身体的前半部分和后半部分。也就是说，它在保持全身角动量为零的同时改变了身体的朝向。
宇宙中显现的巨大旋转
在行星和恒星这样巨大天体的运动中，角动量守恒表现得更加戏剧化。
（1）行星靠近太阳时变快的原因
根据开普勒第二定律，行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积。这是行星角动量守恒的结果，因此行星离太阳近时运动得更快，离太阳远时运动得更慢。
（2）每秒旋转700多次的中子星
大质量恒星走到生命尽头而坍缩后，会留下直径约20公里的中子星。巨大的恒星收缩得很小，转动惯量大幅减小，旋转就变得极其快速。目前已知最快的脉冲星PSR J1748-2446ad每秒约旋转716次。
（3）变长的一天与远去的月球
地球和月球通过彼此引力引起的潮汐作用交换角动量。在这一过程中，地球自转逐渐变慢，一天的长度每100年增加略少于2毫秒；接过地球失去的角动量的月球，则正以每年约3.8厘米的速度远离地球。
利用旋转原理的技术
在设计机械和交通工具时，角动量守恒也是一个重要的依据。
（1）保持方向的陀螺仪
飞快旋转的陀螺或陀螺仪会强烈抵抗改变其轴向的力。这是因为角动量不仅大小守恒，方向也守恒。穿过刻有膛线的枪管而旋转的子弹，以及带着旋转掷出的飞盘能够平稳飞行，也是同样的原理。
（2）直升机的尾桨
发动机让主旋翼朝一个方向旋转时，机身会因反作用而朝相反方向转动。尾桨（Tail Rotor）向侧面推动空气来抵消这一力矩，飞行员则用脚踏板调节尾桨的推力，改变机身的朝向。
（3）改变人造卫星姿态的反作用轮
太空中既没有可以推的空气，也没有地面。因此，哈勃空间望远镜等卫星会让内部的反作用轮（Reaction Wheel）朝一个方向旋转，使机身慢慢朝相反方向转动。这是一种无需消耗燃料就能精确指向目标方向的方法。
角动量守恒是一条展现旋转物体维持自身状态这一性质的定律。花样滑冰运动员的旋转和猫的着地、行星的公转和中子星的自转，乃至人造卫星的姿态控制，都可以用同一原理来解释。只要记住，仅仅改变质量离转轴的远近，转速就会随之改变，身边那些旋转的事物就会显得焕然一新。
理解收拢手臂就会转得更快的原理，这就是解读旋转世界的物理学第一步。
