В 1980 году профессор факультета статистики Чикагского университета Стивен Мак Стиглер сформулировал закон
Vijf jaar later, Sovjetkosmonaut VladimirDzhanibekov, die het gedrag van de noot in gewichtloosheid observeerde, merkte een ongewoon effect op. Als een bevestiging van de wet van Stigler, zal het het Dzhanibekov-effect worden genoemd, hoewel het in feite een gevolg is van de belangrijkste postulaten van de klassieke mechanica, lang daarvoor geformuleerd.
Wat zag de astronaut?
De lading die in een baan om de aarde wordt gebracht, is in de regelsluit met speciale vleugelmoeren of vlinders. Dit is zo'n ontwerp met kleine oren dat er geen speciaal gereedschap voor nodig is om het af te wikkelen. In gewichtloosheid is het voldoende om één "oor" van een vlinder te raken en deze zal zichzelf draaien. Tegelijkertijd, in een baan om de aarde, zal de moer, nadat hij van de staaf is gesprongen, blijven bewegen en in de lucht roteren.
Tijdens de reddingsoperatie in de ruimtestation "Salyut-7" Vladimir Dzhanibekov merkte op dat als je de moer niet aanraakt, deze na een korte afstand onafhankelijk 180 ° in de lucht zal draaien en blijven vliegen. Na enige tijd zal dit opnieuw gebeuren.
De astronaut voerde veel experimenten uit, maarelke keer waren de resultaten hetzelfde. De moer die in de lucht ronddraaide, maakte constant 180° bochten op gelijke afstanden. Nadat hij met andere objecten had geëxperimenteerd, bijvoorbeeld met een gewone noot waaraan een bal van plasticine was bevestigd, raakte Dzhanibekov ervan overtuigd dat niet alleen de vlindernoot ongewoon gedrag vertoonde.
Demonstratie van het Dzhanibekov-effect bij gewichtloosheid. Video: NASA
Hoe het uit te leggen?
Eerste bericht waarin vreemd gedrag wordt uitgelegdobject dat in gewichtloosheid ronddraaide, verscheen in 1991. Maar het effect zelf was al lang daarvoor bekend. In 1834 toonde Louis Poinsot in zijn werk "The New Theory of Rotation of Bodies" aan dat de rotatie van een lichaam rond de tussenliggende (gemiddelde) hoofdtraagheidsas onstabiel is. Terwijl de rotatie rond de andere twee assen stabiel is. De algemene principes die de rotatie van een star lichaam beschrijven, werden zelfs eerder geformuleerd door de wiskundige Leonhard Euler in de Euler-rotatiestelling.
Bedenk dat de hoofdtraagheidsassen van het lichaam worden genoemddergelijke coördinaatassen in het cartesiaanse systeem, ten opzichte waarvan het centrifugale traagheidsmoment gelijk is aan nul. De hoofdtraagheidsassen die door het zwaartepunt van het lichaam gaan, worden de hoofdtraagheidsassen van het lichaam genoemd. Drie hoofdassen kunnen door elk punt van het lichaam worden getrokken en ze staan allemaal loodrecht op elkaar.
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.
Rotatie van een star lichaam in een coördinatensysteem,geassocieerd met het lichaam zelf wordt beschreven door de Euler-vergelijkingen. Als we ze toepassen op een star lichaam met drie verschillende traagheidsmomenten, kunnen we zien dat wanneer we rond de gemiddelde traagheidsas roteren, de hoeksnelheid rond de kleinste van de assen zal toenemen, wat zal leiden tot een omslag. In de andere twee gevallen nemen de bijwerkingen af tijdens de rotatie.
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
Hoe kun je observeren?
Het Janebekov-effect kan niet alleen worden waargenomen inruimte in gewichtloosheid, maar ook op aarde. Het enige wat je nodig hebt is een tennisracket. Je moet het racket bij het handvat pakken zodat het vlak horizontaal staat. Als je het zo gooit dat het een volledige omwenteling maakt om een horizontale as loodrecht op het handvat, en dan het racket opvangt, blijkt het ook een halve omwenteling om de verticale as te maken.
Rotatie van een tennisracket tijdens de vlucht. Afbeelding: Steffen Glaser, TUM
Integendeel, als, terwijl het racket wordt gegooid, het roteert rond een van de andere twee assen (die rond de as van het handvat of de verticale as gaan), dan zal de rotatie alleen om hen worden uitgevoerd.
Hetzelfde experiment kan worden herhaald met elkeeen star lichaam dat drie verschillende hoofddraaimomenten heeft. Een boek of een smartphone is bijvoorbeeld voldoende. Hoewel experimenten met de laatste gepaard gaan met een gebroken scherm en we ze niet aanbevelen, zal het Dzhanibekov-effect werken. In beide gevallen staat de middenas loodrecht op de lange zijde van het boek of de telefoon.
Вращение теннисной ракетки. Изображение: Cmglee, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Gewoon mooie wiskunde?
Het Dzhanibekov-effect is niet alleen een leuk feit,wat interessant is om naar te kijken. Willekeurige rotaties kunnen de baan van een ruimtevaartuig of satelliet veranderen. In dit geval hoeft u zich geen zorgen te maken over de rotatie van de aarde of satellieten. In deze gevallen wordt de rotatie beïnvloed door andere krachten, zoals getijkrachten, die de rotatie-energie om andere assen kunnen afvoeren, waardoor het lichaam stabiel rond de as met het grootste koppel draait.
Bovendien is het Dzhanibekov-effect toegepast inkwantumfysica. De quanta hebben ook een impulsmoment, bekend als spin. Het kan worden beïnvloed door het aanleggen van een elektromagnetisch veld. In een paper gepubliceerd in het tijdschrift Scientific Reports, ontdekten de wetenschappers dat veranderingen in spingedrag kunnen worden beschreven met behulp van dezelfde wiskundige formules die de stelling van het draaiende racket verklaren.
Deze theorie kan doelgericht worden toegepastverander de spinoriëntatie, waardoor fouten veroorzaakt door kleine verstoringen worden geminimaliseerd. Dit helpt om de elektromagnetische controle van kwantumtoestanden te optimaliseren.
Een illustratie van de stelling van het draaiende racket voor quants. Afbeelding: Van Damme et al., Scientific Reports
Lees verder:
Wetenschappers zijn dicht bij het ontrafelen van de geheimen van de piramides: hoe oude mensen ze konden bouwen
Het mechanisme om de levergezondheid op oudere leeftijd te behouden wordt onthuld
Natuurkundigen verklaren Hawking's 'kosmische mismatch': hoe het de wetenschap zal veranderen