W 1980 roku profesor statystyki Uniwersytetu w Chicago, Stephen Mac Stigler, sformułował to prawo
Pięć lat później sowiecki kosmonauta WładimirDzhanibekov, obserwując zachowanie orzecha w stanie nieważkości, zauważył niezwykły efekt. Jakby na potwierdzenie prawa Stiglera będzie on nazywany efektem Dzhanibekova, choć w rzeczywistości jest on konsekwencją kluczowych postulatów mechaniki klasycznej, sformułowanych na długo przed tym.
Co zobaczył astronauta?
Ładunek dostarczany na orbitę z regułyzamyka się specjalnymi nakrętkami skrzydełkowymi lub motylami. To taka konstrukcja z małymi uszami, która nie wymaga specjalnego narzędzia do jej odwijania. W stanie nieważkości wystarczy uderzyć w jedno „ucho” motyla, a on sam się zakręci. W tym samym czasie na orbicie, po zeskoczeniu z pręta, nakrętka będzie nadal się poruszać, obracając się w powietrzu.
Podczas kosmicznej akcji ratowniczejstacja „Salyut-7” Władimir Dzhanibekov zauważył, że jeśli nie dotkniesz nakrętki, to po przelocie na krótką odległość niezależnie obróci się o 180 ° w powietrzu i nadal będzie latać. Po pewnym czasie to się powtórzy.
Astronauta przeprowadził wiele eksperymentów, aleza każdym razem wyniki były takie same. Obracająca się w powietrzu nakrętka wykonywała w równych odstępach obroty o 180°. Eksperymentując z innymi przedmiotami, na przykład ze zwykłą nakrętką, do której przymocowano kulkę z plasteliny, Dzhanibekov nabrał przekonania, że nie tylko nakrętka motyla wykazywała niezwykłe zachowanie.
Demonstracja efektu Dzhanibekova w nieważkości. Wideo: NASA
Jak to wyjaśnić?
Pierwszy post wyjaśniający dziwne zachowanieobiekt wirujący w stanie nieważkości pojawił się w 1991 roku. Ale sam efekt był znany na długo przedtem. Już w 1834 roku Louis Poinsot w swojej pracy „Nowa teoria rotacji ciał” wykazał, że obrót ciała wokół pośredniej (średniej) głównej osi bezwładności jest niestabilny. Podczas gdy obrót wokół pozostałych dwóch osi jest stabilny. Ogólne zasady opisujące obrót ciała sztywnego zostały sformułowane jeszcze wcześniej przez matematyka Leonharda Eulera w twierdzeniu o obrocie Eulera.
Przypomnijmy, że nazywa się główne osie bezwładności ciałatakie osie współrzędnych w układzie kartezjańskim, względem których odśrodkowy moment bezwładności jest równy zero. Główne osie bezwładności przechodzące przez środek ciężkości ciała nazywane są głównymi centralnymi osiami bezwładności ciała. Trzy główne osie można poprowadzić przez dowolny punkt ciała i wszystkie będą wzajemnie prostopadłe.
Niezwykłe salta w powietrzu tłumaczy się małymiodchylenia występujące podczas obrotu. Jeśli obrócisz ciało ściśle wokół średniej głównej osi środkowej (tej, której moment bezwładności zajmuje położenie pośrednie), nic się nie stanie. Ale w rzeczywistych warunkach obrót odbywa się nie tylko wokół jednej osi. Małe wibracje powodują, że ciało zaczyna się obracać wokół wszystkich trzech osi.
obrót bryły sztywnej w układzie współrzędnych,związane z samym ciałem jest opisane równaniami Eulera. Jeśli zastosujemy je do ciała sztywnego o trzech różnych momentach bezwładności, zobaczymy, że obracając się wokół średniej osi bezwładności, prędkość kątowa wokół mniejszej z osi wzrośnie, co doprowadzi do przewrócenia. W pozostałych dwóch przypadkach efekty uboczne zmniejszają się podczas rotacji.
Wizualizacja niestabilności osi środkowej.Wartość momentu pędu i energii kinetycznej obracającego się obiektu są zachowane. W rezultacie wektor prędkości kątowej pozostaje na przecięciu dwóch elipsoid. Zdjęcie: Student298, CC BY-SA 4.0, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Jak możesz obserwować?
Efekt Janebekova można zaobserwować nie tylko wprzestrzeń w nieważkości, ale także na Ziemi. Wszystko czego potrzebujesz to rakieta tenisowa. Rakietę należy chwycić za rączkę tak, aby jej płaszczyzna była pozioma. Jeśli rzucisz nim w taki sposób, aby wykonał pełny obrót wokół poziomej osi prostopadłej do rączki, a potem złapiesz rakietę, okaże się, że wykonała również pół obrotu wokół osi pionowej.
Obrót rakiety tenisowej w locie. Zdjęcie: Steffen Glaser, TUM
Wręcz przeciwnie, jeśli podczas rzucania rakietą nadamy jej obrót wokół jednej z pozostałych dwóch osi (przechodząc wokół osi rączki lub osi pionowej), to obrót będzie wykonywany tylko wokół nich.
Ten sam eksperyment można powtórzyć z dowolnymbryła sztywna, która ma trzy różne główne momenty obrotu. Na przykład wystarczy książka lub smartfon. Chociaż eksperymenty z tymi ostatnimi są obarczone zepsutym ekranem i nie zalecamy ich, efekt Dzhanibekov zadziała. W obu przypadkach oś środkowa będzie prostopadła do dłuższego boku książki lub telefonu.
Obracanie rakiety tenisowej. Zdjęcie: Cmglee, CC BY-SA 4.0, za pośrednictwem Wikimedia Commons
Po prostu ładna matematyka?
Efekt Dzhanibekova to nie tylko zabawny fakt,co jest interesujące do oglądania. Losowe obroty mogą zmienić trajektorię statku kosmicznego lub satelity. W takim przypadku nie powinieneś martwić się obrotem Ziemi ani satelitów. W tych przypadkach na obrót mają wpływ inne siły, np. siły pływowe, które są w stanie rozproszyć energię obrotu wokół innych osi, w wyniku czego korpus obraca się stabilnie wokół osi z największym momentem obrotowym.
Ponadto efekt Dżanibekowa znalazł zastosowanie wFizyka kwantowa. Kwanty mają również moment pędu, znany jako spin. Można na nią wpływać, stosując pole elektromagnetyczne. W artykule opublikowanym w czasopiśmie Scientific Reports naukowcy odkryli, że zmiany w zachowaniu spinu można opisać za pomocą tych samych wzorów matematycznych, które wyjaśniają twierdzenie o wirującej rakietce.
Tę teorię można celowo zastosować dozmienić orientację wirowania, minimalizując w ten sposób błędy spowodowane małymi perturbacjami. Pomaga to zoptymalizować kontrolę elektromagnetyczną stanów kwantowych.
Ilustracja twierdzenia o wirującej rakietce dla kwantów. Zdjęcie: Van Damme i in., Raporty naukowe
Czytaj więcej:
Naukowcy zbliżyli się do odkrycia tajemnicy piramid: jak starożytni ludzie byli w stanie je zbudować
Ujawnia się mechanizm utrzymywania zdrowia wątroby w starszym wieku
Fizycy wyjaśniają „kosmiczną niedopasowanie” Hawkinga: jak zmieni naukę