В 1980 году профессор факультета статистики Чикагского университета Стивен Мак Стиглер сформулировал закон
Cinci ani mai târziu, cosmonautul sovietic VladimirDzhanibekov, observând comportamentul nucilor în imponderabilitate, a observat un efect neobișnuit. Ca și cum ar fi în confirmarea legii lui Stigler, se va numi efectul Dzhanibekov, deși de fapt este o consecință a postulatelor cheie ale mecanicii clasice, formulate cu mult înainte.
Ce a văzut astronautul?
Marfa livrată pe orbită, de regulă,se inchide cu nuci cu aripi speciale sau fluturi. Acesta este un astfel de design cu urechi mici, care nu necesită un instrument special pentru a-l desfășura. În imponderabilitate, este suficient să lovești o „ureche” a unui fluture și se va învârti singur. În același timp, pe orbită, după ce a sărit de pe tijă, piulița va continua să se miște, rotindu-se în aer.
În timpul operațiunii de salvare în spațiustația „Salyut-7” Vladimir Dzhanibekov a observat că, dacă nu atingeți nuca, atunci, după ce zburați pe o distanță scurtă, aceasta se va întoarce independent la 180 ° în aer și va continua să zboare. După ceva timp, acest lucru se va întâmpla din nou.
Astronautul a efectuat multe experimente, darde fiecare dată rezultatele au fost aceleași. Piulița care se rotește în aer a făcut în mod constant rotații de 180° la distanțe egale. După ce a experimentat cu alte obiecte, de exemplu, cu o nucă obișnuită de care era atașată o minge de plastilină, Dzhanibekov s-a convins că nu numai nuca fluture a prezentat un comportament neobișnuit.
Demonstrarea efectului Dzhanibekov în imponderabilitate. Video: NASA
Cum să explic?
Prima postare care explică comportamentul ciudatobiect care se rotește în imponderabilitate a apărut în 1991. Dar efectul în sine era cunoscut cu mult înainte de asta. În 1834, Louis Poinsot în lucrarea sa „The New Theory of Rotation of Bodies” a arătat că rotația unui corp în jurul axei principale intermediare (medie) de inerție este instabilă. În timp ce rotația în jurul celorlalte două axe este stabilă. Principiile generale care descriu rotația unui corp rigid au fost formulate chiar mai devreme de către matematicianul Leonhard Euler în teorema de rotație a lui Euler.
Amintiți-vă că se numesc principalele axe de inerție ale corpuluiastfel de axe de coordonate în sistemul cartezian, în raport cu care momentul de inerție centrifugal este egal cu zero. Principalele axe de inerție care trec prin centrul de greutate al corpului sunt numite principalele axe centrale de inerție ale corpului. Trei axe principale pot fi trase prin orice punct al corpului și toate vor fi reciproc perpendiculare.
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.
Rotirea unui corp rigid într-un sistem de coordonate,asociat cu corpul însuși este descris de ecuațiile lui Euler. Dacă le aplicăm unui corp rigid cu trei momente diferite de inerție, putem vedea că atunci când se rotește în jurul axei medii de inerție, viteza unghiulară în jurul celei mai mici dintre axe va crește, ceea ce va duce la o răsturnare. În celelalte două cazuri, efectele secundare scad în timpul rotației.
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
Cum poți observa?
Efectul Janebekov poate fi observat nu numai înspațiu în imponderabilitate, dar și pe Pământ. Tot ce ai nevoie este o rachetă de tenis. Trebuie să luați racheta de mâner, astfel încât planul ei să fie orizontal. Dacă o arunci în așa fel încât să facă o revoluție completă în jurul unei axe orizontale perpendiculare pe mâner și apoi prinzi racheta, se dovedește că a făcut și o jumătate de rotație în jurul axei verticale.
Rotirea unei rachete de tenis în zbor. Imagine: Steffen Glaser, TUM
Dimpotrivă, dacă, în timp ce aruncați racheta, pentru a-i da rotație în jurul uneia dintre celelalte două axe (trecând în jurul axei mânerului sau a axei verticale), atunci rotația se va efectua numai în jurul acestora.
Același experiment poate fi repetat cu oricareun corp rigid care are trei momente principale diferite de rotație. De exemplu, o carte sau un smartphone va fi bine. Deși experimentele cu acestea din urmă sunt pline cu un ecran spart și nu le recomandăm, efectul Dzhanibekov va funcționa. În ambele cazuri, axa din mijloc va fi perpendiculară pe partea lungă a cărții sau a telefonului.
Вращение теннисной ракетки. Изображение: Cmglee, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons
Doar matematică frumoasă?
Efectul Dzhanibekov nu este doar un fapt amuzant,care este interesant de urmărit. Rotațiile aleatorii pot schimba traiectoria unei nave spațiale sau a unui satelit. În acest caz, nu ar trebui să vă faceți griji cu privire la rotația Pământului sau a sateliților. În aceste cazuri, rotația este influențată de alte forțe, cum ar fi forțele de maree, care sunt capabile să disipeze energia de rotație în jurul altor axe, drept urmare corpul se rotește stabil în jurul axei cu cel mai mare cuplu.
În plus, efectul Dzhanibekov și-a găsit aplicație înfizică cuantică. Quantele au și un moment unghiular, cunoscut sub numele de spin. Poate fi influențată prin aplicarea unui câmp electromagnetic. Într-o lucrare publicată în revista Scientific Reports, oamenii de știință au descoperit că schimbările în comportamentul spinării pot fi descrise folosind aceleași formule matematice care explică teorema rachetei de rotire.
Această teorie poate fi aplicată în mod intenționatmodificați orientarea spinului, minimizând astfel erorile cauzate de mici perturbații. Acest lucru ajută la optimizarea controlului electromagnetic al stărilor cuantice.
O ilustrare a teoremei rachetei rotative pentru cuantice. Imagine: Van Damme et al., Scientific Reports
Citeste mai mult:
Oamenii de știință au ajuns aproape să dezvăluie secretele piramidelor: cum au fost capabili oamenii din antichitate să le construiască
Se dezvăluie mecanismul menținerii sănătății ficatului la bătrânețe
Fizicienii explică „nepotrivirea cosmică” a lui Hawking: cum va schimba știința