През 1980 г. професорът по статистика в Чикагския университет Стивън Мак Стиглър формулира закона
Пет години по-късно съветският космонавт ВладимирДжанибеков, наблюдавайки поведението на гайката в безтегловност, забеляза необичаен ефект. Като че ли в потвърждение на закона на Стиглер, той ще бъде наречен ефект на Джанибеков, въпреки че всъщност е следствие от ключовите постулати на класическата механика, формулирани много преди това.
Какво видя астронавтът?
Товарът, доставен в орбита, като правило,затваря се със специални крилчати гайки или пеперуди. Това е такъв дизайн с малки уши, който не изисква специален инструмент, за да го развиете. В безтегловност е достатъчно да ударите едно „ухо“ на пеперуда и тя ще се завърти сама. В същото време, в орбита, след като скочи от пръта, гайката ще продължи да се движи, въртяйки се във въздуха.
По време на космическата спасителна операциястанция "Салют-7" Владимир Джанибеков забеляза, че ако не докоснете гайката, тогава, след летене на кратко разстояние, тя независимо ще се обърне на 180 ° във въздуха и ще продължи да лети. След известно време това ще се повтори.
Астронавтът проведе много експерименти, новсеки път резултатите бяха едни и същи. Въртящата се във въздуха гайка постоянно правеше завъртания на 180° на равни разстояния. След като експериментира с други предмети, например с обикновена гайка, към която е прикрепена топка от пластилин, Джанибеков се убеди, че не само орехът на пеперудата проявява необичайно поведение.
Демонстрация на ефекта на Джанибеков в безтегловност. Видео: НАСА
Как да го обясня?
Първа публикация, обясняваща странно поведениеобект, въртящ се в безтегловност, се появи през 1991 г. Но самият ефект беше известен много преди това. През 1834 г. Луи Поансо в своята работа "Новата теория на въртенето на телата" показа, че въртенето на тялото около междинната (средна) главна ос на инерция е нестабилно. Докато въртенето около другите две оси е стабилно. Общите принципи, описващи въртенето на твърдо тяло, са формулирани още по-рано от математика Леонхард Ойлер в теоремата за въртене на Ойлер.
Спомнете си, че основните инерционни оси на тялото се наричаттакива координатни оси в декартовата система, спрямо които центробежният инерционен момент е равен на нула. Главните инерционни оси, преминаващи през центъра на тежестта на тялото, се наричат главни централни инерционни оси на тялото. Три основни оси могат да бъдат начертани през всяка точка на тялото и всички те ще бъдат взаимно перпендикулярни.
Необичайните салта във въздуха се обясняват с малкиотклонения, възникващи по време на въртене. Ако завъртите тялото стриктно около средната главна централна ос (тази, чийто инерционен момент заема междинна позиция), нищо няма да се случи. Но в реални условия въртенето се извършва не само около една ос. Малките вибрации водят до това, че тялото започва да се върти около трите оси.
Въртене на твърдо тяло в координатна система,свързано със самото тяло, се описва от уравненията на Ойлер. Ако ги приложим към твърдо тяло с три различни инерционни момента, можем да видим, че при въртене около средната инерционна ос, ъгловата скорост около по-малката от осите ще се увеличи, което ще доведе до обръщане. В другите два случая страничните ефекти намаляват по време на ротация.
Визуализация на нестабилност на средната ос.Големината на ъгловия момент и кинетичната енергия на въртящия се обект се запазват. В резултат на това векторът на ъгловата скорост остава в пресечната точка на двата елипсоида. Изображение: Student298, CC BY-SA 4.0, чрез Wikimedia Commons
Как можете да наблюдавате?
Ефектът на Джанебеков може да се наблюдава не само припространство в безтегловност, но и на Земята. Всичко, от което се нуждаете, е тенис ракета. Трябва да вземете ракетата за дръжката, така че равнината й да е хоризонтална. Ако я хвърлите така, че да направи пълен оборот около хоризонтална ос, перпендикулярна на дръжката, и след това да хванете ракетата, се оказва, че е направила и половин оборот около вертикалната ос.
Въртене на тенис ракета по време на полет. Изображение: Steffen Glaser, TUM
Напротив, ако при хвърляне на ракетата й дадете въртене около една от другите две оси (преминавайки около оста на дръжката или около вертикалната ос), то въртенето ще се извършва само около тях.
Същият експеримент може да се повтори с всекитвърдо тяло, което има три различни главни момента на въртене. Например, книга или смартфон ще свършат работа. Въпреки че експериментите с последните са изпълнени със счупен екран и ние не ги препоръчваме, ефектът на Джанибеков ще работи. И в двата случая средната ос ще бъде перпендикулярна на дългата страна на книгата или телефона.
Въртене на тенис ракета. Изображение: Cmglee, CC BY-SA 4.0, чрез Wikimedia Commons
Просто хубава математика?
Ефектът на Джанибеков не е просто забавен факт,което е интересно за гледане. Случайните ротации могат да променят траекторията на космически кораб или сателит. В този случай не трябва да се притеснявате за въртенето на Земята или спътниците. В тези случаи въртенето се влияе от други сили, като приливни сили, които са в състояние да разсейват енергията на въртене около други оси, в резултат на което тялото се върти стабилно около оста с най-голям въртящ момент.
Освен това ефектът на Джанибеков е намерил приложение вквантова физика. Квантите също имат ъглов импулс, известен като спин. Може да се повлияе чрез прилагане на електромагнитно поле. В статия, публикувана в списание Scientific Reports, учените установиха, че промените в поведението на въртене могат да бъдат описани с помощта на същите математически формули, които обясняват теоремата за въртящата се ракета.
Тази теория може да се приложи целенасоченопромяна на ориентацията на въртене, като по този начин се минимизират грешките, причинени от малки смущения. Това помага за оптимизиране на електромагнитния контрол на квантовите състояния.
Илюстрация на теоремата за въртящата се ракета за кванти. Изображение: Van Damme et al., Научни доклади
Прочетете още:
Учените се доближиха до разкриването на тайните на пирамидите: как древните хора са успели да ги построят
Разкрит е механизмът за поддържане здравето на черния дроб в напреднала възраст
Физиците обясняват „космическото несъответствие“ на Хокинг: как то ще промени науката