神舟十四号乘组航天员陈冬在“天宫课堂”展示了“扳手翻转”的实验,大家看得目瞪口呆:旋转的T型扳手在没有人为干涉的情况下,它会自己会周期性掉头翻转。
因为是科普课堂,受众很多是中小学生,陈冬没有过多地解释其中原理,只说了这叫“贾尼别科夫效应”,并且演示了转动扳手不同部位得到的结果是不一样的。
实际上,这个现象的发现人是苏联的弗拉基米尔·贾尼别科夫(Vladimir Dzhanibekov),当时他发现了这个现象,精通物理的他重复了几次实验,细想如果地球也这样旋转,那么会不会出现“末日恐慌”?于是,这个秘密被隐藏了十年。
1982年,苏联的二代空间站“礼炮7号”发生故障,3年后苏联派出两名宇航员前去维修,一名叫贾尼别科夫,另一名叫萨维尼赫,两人于6月6日乘坐“联盟T-13”成功对接。
经过2天的紧张的维修,问题得以解决,但是一个突发的情况让贾尼别科夫心有余悸,后来的重复实验让他更加不寒而栗。
他发现蝶状的螺母在太空微重力环境下居然会自动变化方向旋转,重复几次后都是这样的情况。
这引起了贾尼别科夫恐慌,精通物理的他以为只是螺母在微重力环境下,依靠依惯性旋转,只不过是偏离了中轴线。随着多次实验,他感觉不简单。
于是,贾尼别科夫用橡皮泥又捏了一颗球,在球的一端粘了个金属螺帽来改变重心,再将它旋转起来。结果也想之前一样,每转几圈就翻转180度,并且多次重复。
于是,贾尼别科夫就把这个情况紧急汇报给了苏联宇航局,科学家们也大吃一惊,因为按照我们的认知,一个物体不受外界影响会沿着中心轴线一直旋转,正如地球也是这般旋转。
如果将地球看做巨型的蝶型螺母,那么会不会随着地球自转也会产生这样的周期性旋转?如果真是这样,意味着一切物体都有可能快速颠倒过来,那么人类将会迎来至暗时刻。
科学家们想着还未能研究明白其中原理,为了避免引起恐慌,于是将这样现象的秘密存档起来,不让外界知道。
直到90年代,人们当年事件的参与者才发现这根本不是什么秘密,法国数学家路易斯·庞索在1834年就将它写在了书里,只是在地球上受重力影响,不容易被观察到罢了。所以这一现象被冠以“贾尼别科夫效应”而公开,也称为“贾尼别科夫定理”或“中间轴定理”。此时距离宇航员的发现已经过去十年。
要理解这个“贾尼别科夫效应”就要先了解一个物理学概念:转动惯量。
“转动惯量”其实和动力学中的“惯性”十分相似,它们主要是用来描述旋转运动的,具体定义是这样的:转动惯量衡量旋转运动的物体由旋转状态转变为静止状态,或者由静止状态转变为旋转状态的难易程度的物理量。
理论比较费脑,简单地说,如果一个物体(刚体)沿着xyz轴旋转时,又3个不停转动惯量(质量乘以质点和转轴的垂直距离的平方),那么就认为它具有3个不同的惯量主轴。
研究团队通过网球拍实验,终于明白了原理。T型扳手的作为一个刚体,具3个惯量主轴。
1、围绕网球拍的X轴(手柄所在的直线)最简单,转动惯量最小。
2、围绕着网球拍的Y轴(垂直于XOZ平面)其次,转动惯量第二大。
3、围绕着网球拍的Z轴(垂直于网格的直线)最困难,转动惯量最大。
实验表明:单独围绕X轴,Z轴旋转,转动过程都是正常的,沿着Y轴,这种转动惯量中等,转动具有不稳定性,球拍表面在这个过程会产生翻转。
所以,对应到陈冬手中的T型扳手,你就会发现为什么不同的转动方式,得到的结果是不一样的。
其实,叶光富之前也尝试过这样的实验,只不过当时他拿着是长柄的T型扳手,让其围绕手柄,也就是沿着X轴转动,所以并没有发现周期性回转的现象。
明白了这些,你就会感觉当年苏联的保密实际上没有必要,地球不会发生这样的旋转。主要原因有2个:
第一:转动惯量等于“质量乘以质点和转轴的垂直距离的平方”,带入地球的相关数据,你会发现,地球获得的是最大的惯量。
第二:地球虽然在旋转,但是它不是刚体,内部还有海洋、岩浆等液态,那么三个旋转轴之中就只剩下一个是稳定的:转动惯量最大,最「惰性」的那个旋转轴。这就使得地球只能绕着转动惯量最大的主轴旋转,这也符合物理学定律中的最小能量原理。
所以,不用担心地球突然的旋转翻转。
(正文完)
如果你还没有搞明白,不妨找个乒乓球做个实验吧。就像下图一样,分别沿着X,Y,Z轴转几遍。
转动太快,我将原理图贴上:
而围绕最小转动惯量和最大惯量则不会出现那样的情况。