لماذا ينقلب المضرب في الهواء وكيف يرتبط بفيزياء الكم

في عام 1980 ، البروفيسور ستيفن ماكستيجلر من قسم الإحصاء في جامعة شيكاغوصاغ القانون

ستيجلر على اسم مسمى.ويقول إنه "لا يوجد اكتشاف علمي يحمل اسم مكتشفه الأصلي". ولإظهار أن هذه ليست مجرد كلمات، يعزو ستيجلر نفسه الاكتشاف الأصلي لهذا القانون إلى عالم الاجتماع الأمريكي روبرت مورتون.

بعد خمس سنوات ، رائد الفضاء السوفيتي فلاديميرلاحظ Dzhanibekov ، الذي لاحظ سلوك الجوز في انعدام الوزن ، تأثيرًا غير عادي. كما لو كان تأكيدًا لقانون ستيجلر ، فسيتم تسميته بتأثير جانيبيكوف ، على الرغم من أنه في الواقع نتيجة للمسلمات الرئيسية للميكانيكا الكلاسيكية ، التي تمت صياغتها قبل ذلك بوقت طويل.

ماذا رأى رائد الفضاء؟

البضائع المسلمة إلى المدار ، كقاعدة عامة ،يغلق بالمكسرات الخاصة أو الفراشات. هذا تصميم ذو آذان صغيرة لا يتطلب أداة خاصة للفك. في حالة انعدام الوزن ، يكفي أن تضرب "أذنًا" واحدة من الفراشة وستدور نفسها. في نفس الوقت ، في المدار ، بعد أن قفزت من القضيب ، ستستمر الجوز في التحرك ، وتدور في الهواء.

أثناء عملية إنقاذ الفضاءلاحظت محطة "Salyut-7" فلاديمير دزانيبيكوف أنه إذا لم تلمس الجوز ، فبعد الطيران لمسافة قصيرة ، ستدور 180 درجة في الهواء بشكل مستقل وتستمر في الطيران. بعد مرور بعض الوقت ، سيحدث هذا مرة أخرى.

أجرى رائد الفضاء العديد من التجارب ولكنفي كل مرة كانت النتائج هي نفسها. الجوز الذي يدور في الهواء يدور باستمرار 180 درجة على مسافات متساوية. بعد تجربة أشياء أخرى ، على سبيل المثال ، مع الجوز العادي الذي تم ربط كرة من البلاستيسين به ، أصبح Dzhanibekov مقتنعًا أنه لم يكن فقط صمولة الفراشة هي التي أظهرت سلوكًا غير عادي.

مظاهرة لتأثير جانيبيكوف في انعدام الوزن. فيديو: ناسا

كيف نفسر ذلك؟

أول مشاركة توضح السلوك الغريبظهر كائن يدور في انعدام الوزن في عام 1991. لكن التأثير نفسه كان معروفًا قبل ذلك بوقت طويل. في عام 1834 ، أظهر لويس بوانسو في عمله "النظرية الجديدة لدوران الأجسام" أن دوران الجسم حول المحور الرئيسي المتوسط ​​(المتوسط) من القصور الذاتي غير مستقر. بينما يكون الدوران حول المحورين الآخرين مستقرًا. صاغ عالم الرياضيات ليونارد أويلر المبادئ العامة التي تصف دوران الجسم الصلب في نظرية دوران أويلر.

تذكر أن المحاور الرئيسية لقصور الجسم تسمىمحاور الإحداثيات هذه في النظام الديكارتي ، والتي تكون فيها عزم الطرد المركزي من القصور الذاتي مساوية للصفر. المحاور الرئيسية للقصور الذاتي التي تمر عبر مركز ثقل الجسم تسمى المحاور المركزية الرئيسية لقصور الجسم. يمكن رسم ثلاثة محاور رئيسية من خلال أي نقطة من الجسم ، وستكون جميعها متعامدة بشكل متبادل.

يتم تفسير الشقلبات غير العادية في الهواء بالصغيرةالانحرافات التي تحدث أثناء الدوران. إذا قمت بتدوير الجسم بشكل صارم حول المحور المركزي الرئيسي المتوسط ​​(الذي يحتل عزم القصور الذاتي فيه موضعًا متوسطًا)، فلن يحدث شيء. ولكن في الظروف الحقيقية، لا يحدث الدوران حول محور واحد فقط. تؤدي الاهتزازات الصغيرة إلى بدء الجسم بالدوران حول المحاور الثلاثة. 

دوران جسم صلب في نظام إحداثيات ،المرتبط بالجسم نفسه موصوف بواسطة معادلات أويلر. إذا طبقناها على جسم صلب به ثلاث لحظات مختلفة من القصور الذاتي ، يمكننا أن نرى أنه عند الدوران حول محور القصور الذاتي المتوسط ​​، ستزداد السرعة الزاوية حول المحاور الأصغر ، مما سيؤدي إلى الانقلاب. في الحالتين الأخريين ، تقل الآثار الجانبية أثناء الدوران.

تصور عدم استقرار المحور الأوسط.يتم الحفاظ على حجم الزخم الزاوي والطاقة الحركية للجسم الدوار. ونتيجة لذلك، يبقى ناقل السرعة الزاوية عند تقاطع الشكلين الإهليلجيين. الصورة: Student298، CC BY-SA 4.0، عبر ويكيميديا ​​​​كومنز

كيف يمكنك أن تراقب؟

يمكن ملاحظة تأثير Janebekov ليس فقط فيالفضاء في انعدام الوزن ، ولكن أيضًا على الأرض. كل ما تحتاجه هو مضرب تنس. يجب أن تأخذ المضرب من المقبض حتى يكون مستواه أفقيًا. إذا قمت برميها بطريقة تجعلها تقوم بثورة كاملة حول محور أفقي عمودي على المقبض ، ثم أمسكت بالمضرب ، اتضح أنه قام أيضًا بنصف ثورة حول المحور الرأسي.

دوران مضرب تنس في الرحلة. الصورة: Steffen Glaser، TUM

على العكس من ذلك ، إذا ، أثناء رمي المضرب ، لمنحه الدوران حول أحد المحورين الآخرين (يمر حول محور المقبض أو المحور الرأسي) ، فسيتم الدوران حولهم فقط.

يمكن تكرار نفس التجربة مع أيجسم صلب له ثلاث لحظات دوران رئيسية مختلفة. على سبيل المثال ، كتاب أو هاتف ذكي سيفي بالغرض. على الرغم من أن التجارب مع هذا الأخير محفوفة بشاشات مكسورة ، ونحن لا نوصي بها ، فإن تأثير Dzhanibekov سيعمل. في كلتا الحالتين ، سيكون المحور الأوسط متعامدًا على الجانب الطويل من الكتاب أو الهاتف.

تدوير مضرب التنس. الصورة: Cmglee، CC BY-SA 4.0، عبر ويكيميديا ​​​​كومنز

مجرد رياضيات جميلة؟

تأثير Dzhanibekov ليس مجرد حقيقة ممتعة ،وهو أمر ممتع لمشاهدته. يمكن للدورات العشوائية أن تغير مسار مركبة فضائية أو قمر صناعي. في هذه الحالة ، لا داعي للقلق بشأن دوران الأرض أو الأقمار الصناعية. في هذه الحالات ، يتأثر الدوران بقوى أخرى ، مثل قوى المد والجزر ، والتي تكون قادرة على تبديد طاقة الدوران حول محاور أخرى ، ونتيجة لذلك يدور الجسم بثبات حول المحور بأكبر عزم دوران.

بالإضافة إلى ذلك ، وجد تأثير Dzhanibekov تطبيقًا فيفيزياء الكم. تمتلك الكميات أيضًا زخمًا زاويًا يُعرف باللف المغزلي. يمكن أن تتأثر بتطبيق مجال كهرومغناطيسي. في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Scientific Reports ، وجد العلماء أنه يمكن وصف التغييرات في سلوك الدوران باستخدام نفس الصيغ الرياضية التي تشرح نظرية مضرب الغزل.

يمكن تطبيق هذه النظرية بشكل هادفتغيير اتجاه الدوران ، وبالتالي تقليل الأخطاء التي تسببها الاضطرابات الصغيرة. هذا يساعد على تحسين التحكم الكهرومغناطيسي للحالات الكمومية.

رسم توضيحي لنظرية مضرب الغزل بالنسبة للكميات. الصورة: فان دام وآخرون ، التقارير العلمية

قراءة المزيد:

اقترب العلماء من كشف أسرار الأهرامات: كيف تمكن القدماء من بنائها

تم الكشف عن آلية الحفاظ على صحة الكبد في الشيخوخة

يشرح الفيزيائيون "عدم التطابق الكوني" لهوكينج: كيف سيغير العلم