Godine 1980., profesor statistike Sveučilišta u Chicagu Stephen Mac Stigler formulirao je zakon
Pet godina kasnije, sovjetski kozmonaut VladimirDzhanibekov je, promatrajući ponašanje oraha u bestežinskom stanju, primijetio neobičan učinak. Kao potvrdu Stiglerovog zakona, nazvat će ga Dzhanibekov efekt, iako je zapravo posljedica ključnih postavki klasične mehanike, formuliranih davno prije toga.
Što je astronaut vidio?
Teret isporučen u orbitu, u pravilu,zatvara se posebnim krilnim maticama ili leptirićima. Ovo je takav dizajn s malim ušima koji ne zahtijeva poseban alat za odmotavanje. U bestežinskom stanju dovoljno je pogoditi jedno “uho” leptira i on će se sam zavrtjeti. U isto vrijeme, u orbiti, skočivši sa šipke, matica će se nastaviti kretati, rotirajući u zraku.
Tijekom operacije spašavanja svemirastanica "Salyut-7" Vladimir Dzhanibekov primijetio je da ako ne dodirnete maticu, tada će se, nakon što preleti kratku udaljenost, samostalno okrenuti za 180 ° u zraku i nastaviti letjeti. Nakon nekog vremena to će se ponoviti.
Astronaut je proveo mnoge eksperimente, alisvaki put su rezultati bili isti. Matica koja se neprestano okreće u zraku napravila je okrete za 180° na jednakim udaljenostima. Eksperimentirajući s drugim predmetima, na primjer, s običnim orahom na koji je bila pričvršćena kuglica od plastelina, Dzhanibekov se uvjerio da nije samo leptir orah taj koji pokazuje neobično ponašanje.
Demonstracija efekta Dzhanibekova u bestežinskom stanju. Video: NASA
Kako to objasniti?
Prvi post koji objašnjava čudno ponašanjeobjekt koji rotira u bestežinskom stanju pojavio se 1991. Ali sam učinak bio je poznat puno prije toga. Davne 1834. Louis Poinsot u svom djelu "Nova teorija rotacije tijela" pokazao je da je rotacija tijela oko srednje (prosječne) glavne osi tromosti nestabilna. Dok je rotacija oko druge dvije osi stabilna. Opće principe koji opisuju rotaciju krutog tijela još je ranije formulirao matematičar Leonhard Euler u Eulerovom teoremu o rotaciji.
Podsjetimo se da su glavne osi tromosti tijela tzvtakve koordinatne osi u Kartezijevom sustavu, u odnosu na koje je centrifugalni moment tromosti jednak nuli. Glavne osi tromosti koje prolaze kroz težište tijela nazivamo glavnim središnjim osima tromosti tijela. Kroz bilo koju točku tijela mogu se povući tri glavne osi, a sve će biti međusobno okomite.
Neobični salto u zraku objašnjavaju se malimodstupanja koja nastaju tijekom rotacije. Ako vrtite tijelo strogo oko prosječne glavne središnje osi (one čiji moment tromosti zauzima srednji položaj), ništa se neće dogoditi. Ali u stvarnim uvjetima rotacija se ne događa samo oko jedne osi. Male vibracije dovode do toga da se tijelo počinje okretati oko sve tri osi.
Rotacija krutog tijela u koordinatnom sustavu,povezan sa samim tijelom opisuje se Eulerovim jednadžbama. Ako ih primijenimo na kruto tijelo s tri različita momenta tromosti, možemo vidjeti da će se pri rotaciji oko prosječne osi tromosti povećati kutna brzina oko manje od osi, što će dovesti do preokreta. U druga dva slučaja nuspojave se smanjuju tijekom rotacije.
Vizualizacija nestabilnosti srednje osi.Veličina kutne količine gibanja i kinetičke energije rotirajućeg objekta su očuvane. Kao rezultat toga, vektor kutne brzine ostaje na sjecištu dvaju elipsoida. Slika: Student298, CC BY-SA 4.0, putem Wikimedia Commons
Kako možete promatrati?
Janebekov efekt se može uočiti ne samo usvemiru u bestežinskom stanju, ali i na Zemlji. Sve što vam treba je teniski reket. Morate uzeti reket za ručku tako da je njegova ravnina vodoravna. Ako ga bacite tako da napravi potpuni krug oko vodoravne osi okomite na dršku, a zatim uhvatite reket, ispada da je također napravio pola kruga oko okomite osi.
Rotacija teniskog reketa u letu. Slika: Steffen Glaser, TUM
Naprotiv, ako se pri bacanju reketa vrti oko jedne od druge dvije osi (prolazeći oko osi ručke ili okomite osi), tada će se rotacija vršiti samo oko njih.
Isti eksperiment se može ponoviti s bilo kojimkruto tijelo koje ima tri različita glavna momenta rotacije. Na primjer, poslužit će knjiga ili pametni telefon. Iako su eksperimenti s potonjim prepuni slomljenog zaslona, a mi ih ne preporučujemo, efekt Dzhanibekov će djelovati. U oba slučaja srednja će os biti okomita na dužu stranu knjige ili telefona.
Okretanje teniskog reketa. Slika: Cmglee, CC BY-SA 4.0, putem Wikimedia Commons
Samo lijepa matematika?
Dzhanibekov efekt nije samo zabavna činjenica,što je zanimljivo gledati. Nasumične rotacije mogu promijeniti putanju letjelice ili satelita. U ovom slučaju, ne biste trebali brinuti o rotaciji Zemlje ili satelita. U tim slučajevima na rotaciju utječu druge sile, kao što su plimne sile, koje mogu raspršiti energiju rotacije oko drugih osi, zbog čega se tijelo stabilno okreće oko osi s najvećim momentom.
Osim toga, Dzhanibekov efekt je pronašao primjenu ukvantna fizika. Kvanti također imaju kutni moment, poznat kao spin. Na njega se može utjecati primjenom elektromagnetskog polja. U radu objavljenom u časopisu Scientific Reports, znanstvenici su otkrili da se promjene u ponašanju vrtnje mogu opisati korištenjem istih matematičkih formula koje objašnjavaju teorem o vrtećem reketu.
Ova se teorija može namjerno primijenitipromijeniti orijentaciju vrtnje, čime se minimaliziraju pogreške uzrokovane malim poremećajima. Ovo pomaže optimizirati elektromagnetsku kontrolu kvantnih stanja.
Ilustracija teorema o rotirajućem reketu za kvantitete. Slika: Van Damme et al., Znanstvena izvješća
Čitaj više:
Znanstvenici su se približili razotkrivanju tajni piramida: kako su ih drevni ljudi uspjeli izgraditi
Otkriven je mehanizam očuvanja zdravlja jetre u starijoj dobi
Fizičari objašnjavaju Hawkingov 'kozmički nesklad': kako će to promijeniti znanost