В 1980 году профессор факультета статистики Чикагского университета Стивен Мак Стиглер сформулировал закон
Viisi vuotta myöhemmin Neuvostoliiton kosmonautti VladimirDzhanibekov, joka tarkkaili mutterin käyttäytymistä painottomuudessa, huomasi epätavallisen vaikutuksen. Ikään kuin Stiglerin lain vahvistukseksi sitä kutsutaan Dzhanibekov-ilmiöksi, vaikka itse asiassa se on seurausta klassisen mekaniikan avainpostulaateista, jotka on muotoiltu kauan ennen sitä.
Mitä astronautti näki?
Ratalle toimitettu lasti pääsääntöisestisulkeutuu erityisillä siipimuttereilla tai perhosilla. Tämä on sellainen malli, jossa on pienet korvat, joka ei vaadi erikoistyökalua sen purkamiseen. Painottomuudessa riittää lyödä perhosen yhtä "korvaa" ja se pyörii itsestään. Samanaikaisesti kiertoradalla, kun se on hypännyt irti tangosta, mutteri jatkaa liikkumistaan pyörien ilmassa.
Avaruuspelastusoperaation aikanaasema "Salyut-7" Vladimir Dzhanibekov huomasi, että jos et kosketa mutteria, lyhyen matkan lennon jälkeen se kääntyy itsenäisesti 180 ° ilmassa ja jatkaa lentämistä. Jonkin ajan kuluttua tämä tapahtuu uudelleen.
Astronautti suoritti monia kokeita, muttajoka kerta tulokset olivat samat. Ilmassa pyörivä mutteri teki jatkuvasti 180° käännöksiä tasaisin välimatkoin. Kokeiltuaan muita esineitä, esimerkiksi tavallisella mutterilla, johon oli kiinnitetty muovailuvahapallo, Dzhanibekov vakuuttui siitä, että se ei ollut vain perhosmutteri, joka osoitti epätavallista käyttäytymistä.
Dzhanibekov-ilmiön osoitus painottomuudesta. Video: NASA
Miten se selittää?
Ensimmäinen viesti, joka selittää outoa käytöstäpainottomuudessa pyörivä esine ilmestyi vuonna 1991. Mutta itse vaikutus tiedettiin kauan ennen sitä. Vuonna 1834 Louis Poinsot työssään "The New Theory of Rotation of Bodies" osoitti, että kappaleen pyöriminen keskimääräisen (keskimääräisen) hitauspääakselin ympäri on epävakaa. Vaikka pyöriminen kahden muun akselin ympäri on vakaa. Jäykän kappaleen pyörimistä kuvaavat yleiset periaatteet muotoili jo aikaisemmin matemaatikko Leonhard Euler Eulerin kiertolauseessa.
Muista, että kehon päähitausakseleita kutsutaansellaiset koordinaattiakselit suorakulmaisessa järjestelmässä, joihin nähden keskipakohitausmomentti on nolla. Kehon painopisteen läpi kulkevia päähitausakseleita kutsutaan kappaleen päähitausakseleiksi. Kolme pääakselia voidaan vetää minkä tahansa kappaleen pisteen läpi, ja ne kaikki ovat keskenään kohtisuorassa.
Необычные кульбиты в воздухе объясняют небольшими отклонениями, которые возникают при вращении. Если закрутить тело строго вокруг средней главной центральной оси (той, момент инерции которой занимает промежуточное положение), ничего не произойдет. Но в реальных условиях, вращение происходит не только вокруг одной оси. Небольшие колебания, приводят к тому, что тело начинает вращаться вокруг всех трех осей.
Jäykän kappaleen pyöriminen koordinaattijärjestelmässä,itse kehoon liittyvää kuvaavat Eulerin yhtälöt. Jos soveltamme niitä jäykkään kappaleeseen, jossa on kolme erilaista hitausmomenttia, voimme nähdä, että keskimääräisen hitausakselin ympäri pyörittäessä kulmanopeus pienemmän akselin ympäri kasvaa, mikä johtaa käänteeseen. Kahdessa muussa tapauksessa sivuvaikutukset vähenevät kierron aikana.
Визуализация нестабильности средней оси. Величина углового момента и кинетическая энергия вращающегося объекта сохраняются. В результате вектор угловой скорости остается на пересечении двух эллипсоидов. Изображение: Student298, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Miten voit tarkkailla?
Janebekov-ilmiötä voidaan havaita paitsitilaa painottomuudessa, mutta myös maan päällä. Tarvitset vain tennismailan. Sinun on otettava maila kahvasta niin, että sen taso on vaakatasossa. Jos heität sitä siten, että se tekee täydellisen kierroksen vaaka-akselin ympäri, joka on kohtisuorassa kahvaan nähden, ja ota sitten kiinni mailaan, käy ilmi, että se teki myös puoli kierrosta pystyakselin ympäri.
Tennismailan kierto lennon aikana. Kuva: Steffen Glaser, TUM
Päinvastoin, jos mailaa heittäessäsi se pyörii toisen kahdesta muusta akselista (kulkee kahvan akselin tai pystyakselin ympäri), kierto tapahtuu vain niiden ympärillä.
Sama koe voidaan toistaa millä tahansajäykkä kappale, jolla on kolme erilaista pääkiertomomenttia. Esimerkiksi kirja tai älypuhelin käy. Vaikka kokeilut jälkimmäisten kanssa ovat täynnä rikkinäistä näyttöä, emmekä suosittele niitä, Dzhanibekov-efekti toimii. Molemmissa tapauksissa keskiakseli on kohtisuorassa kirjan tai puhelimen pitkää sivua vastaan.
Вращение теннисной ракетки. Изображение: Cmglee, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Pelkkää matematiikkaa?
Dzhanibekov-ilmiö ei ole vain hauska tosiasia,mikä on mielenkiintoista katsottavaa. Satunnaiskierrokset voivat muuttaa avaruusaluksen tai satelliitin lentorataa. Tässä tapauksessa sinun ei pitäisi huolehtia Maan tai satelliittien pyörimisestä. Näissä tapauksissa pyörimiseen vaikuttavat muut voimat, kuten vuorovesivoimat, jotka pystyvät haihduttamaan pyörimisenergiaa muiden akseleiden ympäri, minkä seurauksena kappale pyörii vakaasti suurimman vääntömomentin akselin ympäri.
Lisäksi Dzhanibekov-ilmiö on löytänyt sovelluksenkvanttifysiikka. Kvanteilla on myös kulmamomentti, joka tunnetaan nimellä spin. Siihen voidaan vaikuttaa käyttämällä sähkömagneettista kenttää. Scientific Reports -lehdessä julkaistussa artikkelissa tutkijat havaitsivat, että spin-käyttäytymisen muutoksia voidaan kuvata samoilla matemaattisilla kaavoilla, jotka selittävät pyörivän mailan lauseen.
Tätä teoriaa voidaan soveltaa tarkoituksenmukaisestimuuttaa pyörimissuuntaa, mikä minimoi pienten häiriöiden aiheuttamat virheet. Tämä auttaa optimoimaan kvanttitilojen sähkömagneettista ohjausta.
Esimerkki kvanttien pyörivän mailan lauseesta. Kuva: Van Damme et al., Scientific Reports
Lue lisää:
Tiedemiehet ovat tulleet lähelle pyramidien salaisuuksien paljastamista: kuinka muinaiset ihmiset pystyivät rakentamaan niitä
Mekanismi maksan terveyden ylläpitämiseksi vanhuudessa paljastuu
Fyysikot selittävät Hawkingin "kosmisen yhteensopimattomuuden": kuinka se muuttaa tiedettä