1980 m. Čikagos universiteto statistikos profesorius Stephenas Macas Stigleris suformulavo įstatymą
Po penkerių metų sovietų kosmonautas VladimirasDžanibekovas, stebėdamas riešuto elgesį nesvarumo būsenoje, pastebėjo neįprastą efektą. Tarsi Stiglerio dėsnio patvirtinimas bus vadinamas Džanibekovo efektu, nors iš tikrųjų tai yra pagrindinių klasikinės mechanikos postulatų, suformuluotų gerokai prieš tai, pasekmė.
Ką matė astronautas?
Į orbitą pristatomas krovinys, kaip taisyklė,užsidaro specialiais sparneliais arba drugeliais. Tai toks dizainas su mažomis ausytėmis, kurioms išvynioti nereikia specialaus įrankio. Nesvarumo būsenoje pakanka pataikyti į vieną drugelio „ausį“ ir jis pats suksis. Tuo pačiu metu orbitoje, nušokusi nuo strypo, veržlė toliau judės, sukasi ore.
Kosminės gelbėjimo operacijos metustotis „Salyut-7“ Vladimiras Džanibekovas pastebėjo, kad jei nepaliesite veržlės, tada, nuskridęs nedidelį atstumą, jis savarankiškai pasisuks 180 ° ore ir toliau skris. Po kurio laiko tai pasikartos.
Astronautas atliko daug eksperimentų, tačiaukiekvieną kartą rezultatai buvo vienodi. Ore besisukanti veržlė nuolat vienodais atstumais apsisuko 180°. Eksperimentavęs su kitais objektais, pavyzdžiui, su įprasta veržle, prie kurios buvo pritvirtintas plastilino rutulys, Džanibekovas įsitikino, kad neįprastą elgesį demonstruoja ne tik drugelio veržlė.
Džanibekovo efekto demonstravimas nesvarumo būsenoje. Vaizdo įrašas: NASA
Kaip tai paaiškinti?
Pirmas įrašas, paaiškinantis keistą elgesįobjektas, besisukantis nesvarumo būsenoje, pasirodė 1991 m. Tačiau pats poveikis buvo žinomas gerokai anksčiau. Dar 1834 metais Louis Poinsot savo darbe „Nauja kūnų sukimosi teorija“ parodė, kad kūno sukimasis aplink tarpinę (vidutinę) pagrindinę inercijos ašį yra nestabilus. Nors sukimasis aplink kitas dvi ašis yra stabilus. Bendruosius principus, apibūdinančius standaus kūno sukimąsi, dar anksčiau suformulavo matematikas Leonhardas Euleris Eilerio sukimosi teoremoje.
Prisiminkite, kad pagrindinės kūno inercijos ašys vadinamostokios koordinačių ašys Dekarto sistemoje, kurių atžvilgiu išcentrinis inercijos momentas lygus nuliui. Pagrindinės inercijos ašys, einančios per kūno svorio centrą, vadinamos pagrindinėmis centrinėmis kūno inercijos ašimis. Per bet kurį kūno tašką galima nubrėžti tris pagrindines ašis ir visos jos bus viena kitai statmenos.
Neįprastus salto ore paaiškina smulkmenosnukrypimai, atsirandantys sukimosi metu. Jei suksite kūną griežtai aplink vidutinę pagrindinę centrinę ašį (tą, kurios inercijos momentas užima tarpinę padėtį), nieko neatsitiks. Tačiau realiomis sąlygomis sukimasis vyksta ne tik aplink vieną ašį. Dėl mažų vibracijų kūnas pradeda suktis aplink visas tris ašis.
Standaus kūno sukimasis koordinačių sistemoje,susietas su pačiu kūnu apibūdinamas Eulerio lygtimis. Jei pritaikysime juos standžiam kūnui su trimis skirtingais inercijos momentais, pamatysime, kad sukant aplink vidutinę inercijos ašį kampinis greitis aplink mažesnę iš ašių padidės, o tai sukels apsivertimą. Kitais dviem atvejais rotacijos metu šalutinis poveikis mažėja.
Vidurinės ašies nestabilumo vizualizacija.Išsaugomas besisukančio objekto kampinio momento ir kinetinės energijos dydis. Dėl to kampinio greičio vektorius lieka dviejų elipsoidų sankirtoje. Vaizdas: Student298, CC BY-SA 4.0, per Wikimedia Commons
Kaip galite stebėti?
Janebekovo efektą galima pastebėti ne tikerdvė nesvarumo būsenoje, bet ir Žemėje. Viskas, ko jums reikia, yra teniso raketė. Raketę reikia paimti už rankenos, kad jos plokštuma būtų horizontali. Jei mesti ją taip, kad ji visiškai apsisuka aplink horizontalią ašį, statmeną rankenai, ir tada pagaunate raketę, paaiškėja, kad ji taip pat padarė pusę apsisukimo aplink vertikalią ašį.
Teniso raketės sukimasis skrydžio metu. Vaizdas: Steffen Glaser, TUM
Priešingai, jei mėtant raketę sukasi aplink vieną iš kitų dviejų ašių (eidama aplink rankenos ašį arba vertikalią ašį), tada sukimasis bus vykdomas tik aplink jas.
Tą patį eksperimentą galima pakartoti su bet kuriuostandus kūnas, turintis tris skirtingus pagrindinius sukimosi momentus. Pavyzdžiui, tiks knyga ar išmanusis telefonas. Nors eksperimentai su pastaraisiais yra kupini sugedusio ekrano ir mes jų nerekomenduojame, Džanibekovo efektas veiks. Abiem atvejais vidurinė ašis bus statmena ilgajai knygos ar telefono pusei.
Teniso raketės sukimas. Vaizdas: „Cmglee“, CC BY-SA 4.0, per „Wikimedia Commons“.
Tiesiog graži matematika?
Džanibekovo efektas nėra tik įdomus faktas,į kurį įdomu žiūrėti. Atsitiktiniai sukimai gali pakeisti erdvėlaivio ar palydovo trajektoriją. Tokiu atveju neturėtumėte jaudintis dėl Žemės ar palydovų sukimosi. Tokiais atvejais sukimąsi įtakoja kitos jėgos, pavyzdžiui, potvynio jėgos, kurios sugeba išsklaidyti sukimosi energiją aplink kitas ašis, ko pasekoje kūnas sukasi stabiliai aplink didžiausio sukimo momento ašį.
Be to, Džanibekovo efektas buvo pritaikytasKvantinė fizika. Kvantai taip pat turi kampinį impulsą, žinomą kaip sukimasis. Jį galima paveikti naudojant elektromagnetinį lauką. Straipsnyje, paskelbtame žurnale Scientific Reports, mokslininkai nustatė, kad sukimosi elgsenos pokyčius galima apibūdinti naudojant tas pačias matematines formules, kurios paaiškina besisukančios raketės teoremą.
Šią teoriją galima pritaikyti tikslingaipakeisti sukimosi kryptį, taip sumažinant klaidas, kurias sukelia nedideli trikdžiai. Tai padeda optimizuoti kvantinių būsenų elektromagnetinį valdymą.
Kvantų besisukančios raketės teoremos iliustracija. Vaizdas: Van Damme ir kt., Mokslinės ataskaitos
Skaityti daugiau:
Mokslininkai priartėjo prie piramidžių paslapčių išaiškinimo: kaip senovės žmonės sugebėjo jas pastatyti
Atskleidžiamas kepenų sveikatos palaikymo senatvėje mechanizmas
Fizikai paaiškina Hawkingo „kosminį neatitikimą“: kaip tai pakeis mokslą