I 1980 formulerte University of Chicago statistikkprofessor Stephen Mac Stigler loven
Fem år senere, den sovjetiske kosmonauten VladimirDzhanibekov, som observerte oppførselen til mutteren i vektløshet, la merke til en uvanlig effekt. Som en bekreftelse av Stiglers lov vil den bli kalt Dzhanibekov-effekten, selv om den faktisk er en konsekvens av nøkkelpostulatene til klassisk mekanikk, formulert lenge før det.
Hva så astronauten?
Lasten levert i bane, som regel,lukkes med spesielle vinge nøtter eller sommerfugler. Dette er et slikt design med små ører som ikke krever et spesielt verktøy for å slappe av. I vektløshet er det nok å treffe ett "øre" på en sommerfugl, og den vil snurre seg selv. Samtidig, i bane, etter å ha hoppet av stangen, vil mutteren fortsette å bevege seg og rotere i luften.
Under romredningsaksjonenstasjon "Salyut-7" Vladimir Dzhanibekov la merke til at hvis du ikke berører mutteren, vil den, etter å ha flydd en kort avstand, uavhengig snu 180 ° i luften og fortsette å fly. Etter en tid vil dette skje igjen.
Astronauten gjennomførte mange eksperimenter, menhver gang var resultatene de samme. Mutteren som roterte i luften snudde hele tiden 180° med like avstander. Etter å ha eksperimentert med andre gjenstander, for eksempel med en vanlig mutter som en plastelinakule var festet til, ble Dzhanibekov overbevist om at det ikke bare var sommerfuglmutteren som viste uvanlig oppførsel.
Demonstrasjon av Dzhanibekov-effekten i vektløshet. Video: NASA
Hvordan forklare det?
Første innlegg som forklarer merkelig oppførselobjekt som roterer i vektløshet dukket opp i 1991. Men selve effekten var kjent lenge før det. Tilbake i 1834 viste Louis Poinsot i sitt arbeid "The New Theory of Rotation of Bodies" at rotasjonen av et legeme rundt den mellomliggende (gjennomsnittlige) treghetsaksen er ustabil. Mens rotasjonen rundt de to andre aksene er stabil. De generelle prinsippene som beskriver rotasjonen av et stivt legeme ble formulert enda tidligere av matematikeren Leonhard Euler i Eulers rotasjonsteoremet.
Husk at hovedtreghetsaksene til kroppen kallesslike koordinatakser i det kartesiske systemet, i forhold til hvilke det sentrifugale treghetsmomentet er lik null. De viktigste treghetsaksene som går gjennom kroppens tyngdepunkt kalles de sentrale treghetsaksene til kroppen. Tre hovedakser kan trekkes gjennom et hvilket som helst punkt på kroppen, og alle vil være vinkelrett på hverandre.
Uvanlige saltomortaler i luften forklares med småavvik som oppstår under rotasjon. Hvis du snurrer kroppen strengt rundt den gjennomsnittlige hovedsentralaksen (den hvis treghetsmoment opptar en mellomstilling), vil ingenting skje. Men under reelle forhold skjer rotasjon ikke bare rundt én akse. Små vibrasjoner fører til at kroppen begynner å rotere rundt alle tre aksene.
Rotasjon av et stivt legeme i et koordinatsystem,assosiert med selve kroppen er beskrevet av Euler-ligningene. Hvis vi påfører dem på et stivt legeme med tre forskjellige treghetsmomenter, kan vi se at når vi roterer rundt den gjennomsnittlige treghetsaksen, vil vinkelhastigheten rundt den minste av aksene øke, noe som vil føre til en flipp. I de to andre tilfellene avtar bivirkninger under rotasjon.
Visualisering av ustabilitet i midtaksen.Størrelsen på vinkelmomentet og kinetisk energi til det roterende objektet er bevart. Som et resultat forblir vinkelhastighetsvektoren i skjæringspunktet mellom de to ellipsoidene. Bilde: Student298, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Hvordan kan du observere?
Janebekov-effekten kan observeres ikke bare iplass i vektløshet, men også på jorden. Alt du trenger er en tennisracket. Du må ta racketen i håndtaket slik at planet er horisontalt. Hvis du kaster den på en slik måte at den gjør en hel omdreining rundt en horisontal akse vinkelrett på håndtaket, og deretter fanger racketen, viser det seg at den også har gjort en halv omdreining rundt den vertikale aksen.
Rotasjon av en tennisracket under flukt. Bilde: Steffen Glaser, TUM
Tvert imot, hvis, mens du kaster racketen, for å gi den rotasjon rundt en av de to andre aksene (passerer rundt aksen til håndtaket eller den vertikale aksen), vil rotasjonen bare utføres rundt dem.
Det samme eksperimentet kan gjentas med hvilken som helsten stiv kropp som har tre forskjellige hovedmomenter for rotasjon. For eksempel vil en bok eller en smarttelefon duge. Selv om eksperimenter med sistnevnte er fulle av en ødelagt skjerm, og vi ikke anbefaler dem, vil Dzhanibekov-effekten fungere. I begge tilfeller vil midtaksen være vinkelrett på langsiden av boken eller telefonen.
Rotere en tennisracket. Bilde: Cmglee, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Bare pen matematikk?
Dzhanibekov-effekten er ikke bare et morsomt faktum,som er interessant å se. Tilfeldige rotasjoner kan endre banen til et romfartøy eller satellitt. I dette tilfellet bør du ikke bekymre deg for rotasjonen av jorden eller satellittene. I disse tilfellene påvirkes rotasjonen av andre krefter, for eksempel tidevannskrefter, som er i stand til å spre rotasjonsenergien rundt andre akser, som et resultat av at kroppen roterer stabilt rundt aksen med størst dreiemoment.
I tillegg har Dzhanibekov-effekten funnet anvendelse ikvantefysikk. Kvantene har også et vinkelmomentum, kjent som spinn. Det kan påvirkes ved å påføre et elektromagnetisk felt. I en artikkel publisert i tidsskriftet Scientific Reports fant forskerne at endringer i spinnoppførsel kan beskrives ved å bruke de samme matematiske formlene som forklarer spinningracket-teoremet.
Denne teorien kan brukes målrettetendre spinnretningen, for derved å minimere feil forårsaket av små forstyrrelser. Dette bidrar til å optimalisere den elektromagnetiske kontrollen av kvantetilstander.
En illustrasjon av spinning racket-teoremet for kvanter. Bilde: Van Damme et al., Scientific Reports
Les mer:
Forskere har vært i nærheten av å avdekke hemmelighetene til pyramidene: hvordan eldgamle mennesker var i stand til å bygge dem
Mekanismen for å opprettholde leverhelsen i alderdommen avsløres
Fysikere forklarer Hawkings 'kosmiske misforhold': hvordan det vil endre vitenskapen