1980. gadā Čikāgas Universitātes statistikas profesors Stīvens Maks Stiglers formulēja likumu
Pēc pieciem gadiem padomju kosmonauts VladimirsDžanibekovs, novērojot rieksta uzvedību bezsvara stāvoklī, pamanīja neparastu efektu. It kā apstiprinot Stiglera likumu, tas tiks saukts par Džanibekova efektu, lai gan patiesībā tas ir klasiskās mehānikas galveno postulātu, kas formulēti ilgi pirms tam, sekas.
Ko redzēja astronauts?
Orbītā nogādātā krava, kā likums,aizveras ar īpašiem spārnu riekstiem vai tauriņiem. Šis ir tāds dizains ar mazām ausīm, kura atritināšanai nav nepieciešams īpašs instruments. Bezsvara stāvoklī pietiek ar vienu tauriņa “ausi” iesist, un tas griežas pats. Tajā pašā laikā orbītā, nolēcis no stieņa, uzgrieznis turpinās kustēties, griežoties gaisā.
Kosmosa glābšanas operācijas laikāstacija "Salyut-7" Vladimirs Džanibekovs pamanīja, ka, ja jūs nepieskarsieties uzgrieznim, tad, nolidojot nelielu attālumu, tas patstāvīgi pagriezīsies gaisā par 180 ° un turpinās lidot. Pēc kāda laika tas atkārtosies.
Kosmonauts veica daudzus eksperimentus, betkatru reizi rezultāti bija vienādi. Gaisā rotējošais uzgrieznis pastāvīgi veica 180° pagriezienus vienādos attālumos. Eksperimentējis ar citiem priekšmetiem, piemēram, ar parastu uzgriezni, kuram bija piestiprināta plastilīna bumbiņa, Džanibekovs pārliecinājās, ka ne tikai tauriņu uzgrieznis izrāda neparastu uzvedību.
Džanibekova efekta demonstrēšana bezsvara stāvoklī. Video: NASA
Kā to izskaidrot?
Pirmais ieraksts, kas izskaidro dīvainu uzvedībuobjekts, kas rotē bezsvara stāvoklī, parādījās 1991. gadā. Bet pats efekts bija zināms jau ilgi pirms tam. Vēl 1834. gadā Luiss Puansots savā darbā "Jaunā ķermeņu rotācijas teorija" parādīja, ka ķermeņa rotācija ap starpposma (vidējo) galveno inerces asi ir nestabila. Kamēr rotācija ap pārējām divām asīm ir stabila. Vispārējos principus, kas apraksta stingra ķermeņa rotāciju, vēl agrāk formulēja matemātiķis Leonhards Eilers Eilera rotācijas teorēmā.
Atgādinām, ka tiek sauktas galvenās ķermeņa inerces asistādas koordinātu asis Dekarta sistēmā, attiecībā pret kurām centrbēdzes inerces moments ir vienāds ar nulli. Galvenās inerces asis, kas iet caur ķermeņa smaguma centru, sauc par galvenajām ķermeņa inerces centrālajām asīm. Caur jebkuru ķermeņa punktu var izvilkt trīs galvenās asis, un tās visas būs savstarpēji perpendikulāras.
Neparastus kūleņus gaisā izskaidro mazienovirzes, kas rodas rotācijas laikā. Ja griežat ķermeni stingri ap vidējo galveno centrālo asi (to, kuras inerces moments ieņem starpstāvokli), nekas nenotiks. Bet reālos apstākļos rotācija notiek ne tikai ap vienu asi. Nelielas vibrācijas noved pie tā, ka ķermenis sāk griezties ap visām trim asīm.
Cieta ķermeņa rotācija koordinātu sistēmā,kas saistīts ar pašu ķermeni, apraksta Eilera vienādojumi. Ja mēs tos pielietojam cietam ķermenim ar trim dažādiem inerces momentiem, mēs varam redzēt, ka, griežot ap vidējo inerces asi, palielināsies leņķiskais ātrums ap mazāko no asīm, kas novedīs pie apvērsuma. Pārējos divos gadījumos rotācijas laikā blakusparādības samazinās.
Vidusass nestabilitātes vizualizācija.Rotējošā objekta leņķiskā impulsa lielums un kinētiskā enerģija tiek saglabāta. Rezultātā leņķiskā ātruma vektors paliek divu elipsoīdu krustpunktā. Attēls: Student298, CC BY-SA 4.0, izmantojot Wikimedia Commons
Kā jūs varat novērot?
Jaņebekova efektu var novērot ne tikaikosmoss bezsvara stāvoklī, bet arī uz Zemes. Viss, kas Jums nepieciešams, ir tenisa rakete. Rakete ir jāpaņem aiz roktura, lai tās plakne būtu horizontāla. Ja jūs to mētājat tā, lai tas veiktu pilnīgu apgriezienu ap horizontālo asi, kas ir perpendikulāra rokturim, un pēc tam noķer raketi, izrādās, ka tā veica arī pusapgriezienu ap vertikālo asi.
Tenisa raketes rotācija lidojuma laikā. Attēls: Steffen Glaser, TUM
Gluži pretēji, ja, mētājot raketi, tā griežas ap vienu no pārējām divām asīm (ap roktura asi vai vertikālo asi), tad griešanās tiks veikta tikai ap tām.
To pašu eksperimentu var atkārtot ar jebkurustingrs ķermenis, kuram ir trīs dažādi galvenie griešanās momenti. Piemēram, derēs grāmata vai viedtālrunis. Lai gan eksperimenti ar pēdējiem ir pilni ar salauztu ekrānu, un mēs tos neiesakām, Džanibekova efekts darbosies. Abos gadījumos vidējā ass būs perpendikulāra grāmatas vai tālruņa garajai pusei.
Rotējoša tenisa rakete. Attēls: Cmglee, CC BY-SA 4.0, izmantojot Wikimedia Commons
Vienkārši skaista matemātika?
Džanibekova efekts nav tikai jautrs fakts,ko ir interesanti skatīties. Nejaušas rotācijas var mainīt kosmosa kuģa vai satelīta trajektoriju. Šajā gadījumā jums nevajadzētu uztraukties par Zemes vai satelītu rotāciju. Šajos gadījumos rotāciju ietekmē citi spēki, piemēram, paisuma spēki, kas spēj izkliedēt rotācijas enerģiju ap citām asīm, kā rezultātā ķermenis stabili griežas ap asi ar lielāko griezes momentu.
Turklāt Džanibekova efekts ir atradis pielietojumukvantu fizika. Kvantiem ir arī leņķiskais impulss, kas pazīstams kā spin. To var ietekmēt, pielietojot elektromagnētisko lauku. Žurnālā Scientific Reports publicētajā rakstā zinātnieki atklāja, ka griešanās uzvedības izmaiņas var aprakstīt, izmantojot tās pašas matemātiskās formulas, kas izskaidro griešanās raketes teorēmu.
Šo teoriju var piemērot mērķtiecīgimainīt griešanās orientāciju, tādējādi samazinot kļūdas, ko izraisa nelieli traucējumi. Tas palīdz optimizēt kvantu stāvokļu elektromagnētisko vadību.
Griešanās raketes teorēmas ilustrācija kvantiem. Attēls: Van Damme et al., Scientific Reports
Lasīt vairāk:
Zinātnieki ir nonākuši tuvu piramīdu noslēpumu atklāsmei: kā senie cilvēki spēja tās uzbūvēt
Atklājas aknu veselības saglabāšanas mehānisms vecumdienās
Fiziķi skaidro Hokinga "kosmisko neatbilstību": kā tas mainīs zinātni