ในปี 1980 Stephen Mac Stigler ศาสตราจารย์สถิติแห่งมหาวิทยาลัยชิคาโกได้กำหนดกฎหมายดังกล่าว
ห้าปีต่อมา วลาดิมีร์ นักบินอวกาศโซเวียตDzanibekov เมื่อสังเกตพฤติกรรมของถั่วในสภาวะไร้น้ำหนักสังเกตเห็นผลกระทบที่ผิดปกติ ราวกับว่าเป็นการยืนยันกฎของสติกเลอร์ มันถูกเรียกว่าเอฟเฟกต์ Dzhanibekov แม้ว่าในความเป็นจริงแล้วมันเป็นผลมาจากหลักสมมุติฐานที่สำคัญของกลศาสตร์คลาสสิกซึ่งกำหนดไว้ก่อนหน้านั้นนาน
นักบินอวกาศเห็นอะไร?
สินค้าที่ส่งเข้าสู่วงโคจรตามกฎปิดด้วยปีกนกหรือปีกผีเสื้อพิเศษ นี่คือการออกแบบที่มีหูขนาดเล็กที่ไม่ต้องใช้เครื่องมือพิเศษในการคลาย ในสภาวะไร้น้ำหนักเพียงพอที่จะตี "หู" ของผีเสื้อหนึ่งข้างและมันจะหมุนเอง ในเวลาเดียวกันในวงโคจรเมื่อกระโดดจากแท่งน็อตจะเคลื่อนที่ต่อไปหมุนไปในอากาศ
ระหว่างปฏิบัติการกู้ภัยอวกาศสถานี "Salyut-7" Vladimir Dzhanibekov สังเกตว่าถ้าคุณไม่สัมผัสน็อตจากนั้นหลังจากบินในระยะทางสั้น ๆ มันจะหมุน 180 °ในอากาศอย่างอิสระและบินต่อไป หลังจากผ่านไประยะหนึ่งสิ่งนี้จะเกิดขึ้นอีกครั้ง
นักบินอวกาศทำการทดลองหลายครั้ง แต่แต่ละครั้งผลลัพธ์ก็เหมือนกัน น็อตที่หมุนอยู่ในอากาศทำให้หมุนได้ 180° อย่างต่อเนื่องในระยะทางที่เท่ากัน เมื่อทดลองกับวัตถุอื่น ๆ เช่นกับน็อตธรรมดาที่ติดลูกบอลดินน้ำมัน Dzhanibekov ก็เชื่อว่าไม่ใช่เพียงน็อตผีเสื้อที่แสดงพฤติกรรมที่ผิดปกติ
การสาธิตเอฟเฟกต์ Dzhanibekov ในสภาวะไร้น้ำหนัก วิดีโอ: NASA
จะอธิบายยังไงดี?
โพสต์แรกอธิบายพฤติกรรมแปลกๆวัตถุหมุนอย่างไร้น้ำหนักปรากฏในปี 1991 แต่ตัวผลกระทบเองก็ทราบกันดีอยู่แล้วก่อนหน้านั้น ย้อนกลับไปในปี พ.ศ. 2377 Louis Poinsot ในงาน "The New Theory of Rotation of Bodies" ของเขาแสดงให้เห็นว่าการหมุนของร่างกายรอบแกนกลาง (เฉลี่ย) ของความเฉื่อยไม่เสถียร ในขณะที่การหมุนรอบอีกสองแกนมีเสถียรภาพ หลักการทั่วไปที่อธิบายการหมุนของวัตถุที่แข็งเกร็งได้รับการกำหนดขึ้นก่อนหน้านี้โดยนักคณิตศาสตร์ Leonhard Euler ในทฤษฎีบทการหมุนของออยเลอร์
จำได้ว่าแกนหลักของความเฉื่อยของร่างกายเรียกว่าแกนพิกัดดังกล่าวในระบบคาร์ทีเซียนซึ่งสัมพันธ์กับโมเมนต์ความเฉื่อยของแรงเหวี่ยงเท่ากับศูนย์ แกนหลักของความเฉื่อยที่ผ่านจุดศูนย์ถ่วงของร่างกายเรียกว่าแกนกลางหลักของความเฉื่อยของร่างกาย สามารถลากแกนหลักสามแกนผ่านจุดใดก็ได้ของร่างกาย และแกนทั้งหมดจะตั้งฉากกัน
การตีลังกาบนอากาศที่ผิดปกตินั้นอธิบายได้ด้วยสิ่งเล็กๆ น้อยๆการเบี่ยงเบนที่เกิดขึ้นระหว่างการหมุน หากคุณหมุนร่างกายไปรอบแกนกลางหลักโดยเฉลี่ยอย่างเคร่งครัด (แกนที่มีโมเมนต์ความเฉื่อยอยู่ในตำแหน่งกลาง) จะไม่มีอะไรเกิดขึ้น แต่ในสภาวะจริง การหมุนไม่ได้เกิดขึ้นเพียงรอบแกนเดียวเท่านั้น การสั่นสะเทือนเล็กน้อยทำให้ร่างกายเริ่มหมุนไปรอบ ๆ ทั้งสามแกน
การหมุนของร่างกายที่แข็งกระด้างในระบบพิกัดที่เกี่ยวข้องกับร่างกายนั้นอธิบายโดยสมการออยเลอร์ หากเราใช้พวกมันกับวัตถุที่แข็งกระด้างซึ่งมีโมเมนต์ความเฉื่อยต่างกันสามช่วงเวลา เราจะเห็นได้ว่าเมื่อหมุนรอบแกนเฉื่อยเฉลี่ย ความเร็วเชิงมุมรอบแกนที่เล็กกว่าจะเพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้เกิดการพลิกกลับ ในอีกสองกรณีผลข้างเคียงจะลดลงระหว่างการหมุน
การแสดงความไม่แน่นอนของแกนกลางขนาดของโมเมนตัมเชิงมุมและพลังงานจลน์ของวัตถุที่กำลังหมุนจะถูกรักษาไว้ เป็นผลให้เวกเตอร์ความเร็วเชิงมุมยังคงอยู่ที่จุดตัดของทรงรีทั้งสอง ภาพ: Student298, CC BY-SA 4.0 ผ่าน Wikimedia Commons
จะสังเกตได้อย่างไร?
เอฟเฟกต์ Janebekov สามารถสังเกตได้ไม่เพียงในพื้นที่ในไร้น้ำหนัก แต่ยังอยู่บนโลก สิ่งที่คุณต้องมีคือไม้เทนนิส คุณต้องจับแร็กเกตโดยให้ระนาบของมันอยู่ในแนวนอน หากคุณโยนมันในลักษณะที่หมุนรอบแกนนอนตั้งฉากกับที่จับอย่างสมบูรณ์ จากนั้นจับแร็กเกต ปรากฎว่ามันทำรอบแกนตั้งครึ่งรอบด้วย
การหมุนไม้เทนนิสขณะบิน ภาพ: Steffen Glaser, TUM
ในทางตรงกันข้าม ถ้าในขณะที่โยนแร็กเกตเพื่อให้มันหมุนไปรอบ ๆ หนึ่งในสองแกนที่เหลือ (ผ่านรอบแกนของด้ามจับหรือแกนตั้ง) การหมุนจะดำเนินการรอบ ๆ พวกมันเท่านั้น
การทดลองเดียวกันสามารถทำซ้ำได้กับทุก ๆร่างกายที่แข็งกระด้างซึ่งมีโมเมนต์การหมุนที่แตกต่างกันสามช่วง ตัวอย่างเช่น หนังสือหรือสมาร์ทโฟนจะทำ แม้ว่าการทดลองกับอันหลังจะเต็มไปด้วยหน้าจอที่แตก และเราไม่แนะนำให้ทำ แต่เอฟเฟกต์ Dzhanibekov ก็ใช้ได้ ในทั้งสองกรณี แกนกลางจะตั้งฉากกับด้านยาวของหนังสือหรือโทรศัพท์
การหมุนไม้เทนนิส ภาพ: Cmglee, CC BY-SA 4.0 ผ่าน Wikimedia Commons
แค่คณิตศาสตร์สวย?
เอฟเฟกต์ Dzanibekov ไม่ใช่แค่เรื่องสนุกซึ่งน่าสนใจในการชม การหมุนแบบสุ่มสามารถเปลี่ยนวิถีโคจรของยานอวกาศหรือดาวเทียมได้ ในกรณีนี้ คุณไม่ควรกังวลเกี่ยวกับการหมุนของโลกหรือดาวเทียม ในกรณีเหล่านี้ การหมุนนั้นได้รับอิทธิพลจากแรงอื่นๆ เช่น แรงไทดัล ซึ่งสามารถกระจายพลังงานของการหมุนรอบแกนอื่นๆ อันเป็นผลมาจากการที่ร่างกายหมุนรอบแกนอย่างมั่นคงด้วยแรงบิดสูงสุด
นอกจากนี้เอฟเฟกต์ Dzhanibekov ยังพบการใช้งานในฟิสิกส์ควอนตัม ควอนตัมยังมีโมเมนตัมเชิงมุมที่เรียกว่าสปิน มันสามารถได้รับอิทธิพลจากการใช้สนามแม่เหล็กไฟฟ้า ในบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Scientific Reports นักวิทยาศาสตร์พบว่าการเปลี่ยนแปลงพฤติกรรมการหมุนสามารถอธิบายได้โดยใช้สูตรทางคณิตศาสตร์เดียวกันกับที่อธิบายทฤษฎีบทแร็กเกตปั่น
ทฤษฎีนี้สามารถนำไปใช้อย่างมีจุดมุ่งหมายเปลี่ยนทิศทางการหมุน ซึ่งจะช่วยลดข้อผิดพลาดที่เกิดจากการรบกวนเล็กน้อย ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการควบคุมแม่เหล็กไฟฟ้าของสถานะควอนตัม
ภาพประกอบของทฤษฎีบทแร็กเกตปั่นสำหรับควอนตัม ภาพ: Van Damme et al., รายงานทางวิทยาศาสตร์
อ่านเพิ่มเติม:
นักวิทยาศาสตร์ได้เข้ามาใกล้เพื่อไขความลับของปิรามิด: คนโบราณสามารถสร้างมันได้อย่างไร
เผยกลไกการรักษาสุขภาพตับในวัยชรา
นักฟิสิกส์อธิบาย 'จักรวาลไม่ตรงกัน' ของ Hawking: มันจะเปลี่ยนวิทยาศาสตร์ได้อย่างไร