Раскручивая гайку в невесомости, советский космонавт обнаружил необычный эффект. Она начинала кувыркаться в космосе. «Хайтек» рассказывает, что стоит за этим явлением, как его наблюдать на Земле и где еще применяют эффект Джанибекова.
В 1980 году профессор факультета статистики Чикагского университета Стивен Мак Стиглер сформулировал закон Стиглера об эпонимии. Он говорит, что «никакое научное открытие не было названо в честь первооткрывателя» (No scientific discovery is named after its original discoverer). Чтобы показать, что это не просто слова, сам Стиглер приписывает первоначальное открытие этого закона американскому социологу Роберту Мортону.
Пять лет спустя советский космонавт Владимир Джанибеков, наблюдая за поведением гайки в невесомости, заметил необычный эффект. Словно бы в подтверждение закона Стиглера он получит название эффекта Джанибекова, хотя на самом деле является следствием ключевых постулатов классической механики, сформулированных задолго до этого.
Что увидел космонавт?
Доставленный на орбиту груз, как правило, закрывается с помощью специальных барашковых гаек или бабочек. Это такая конструкция с небольшими ушками, которая не требует специального инструмента, чтобы ее раскрутить. В невесомости достаточно ударить по одному «ушку» бабочки и она сама раскрутится. При этом на орбите, соскочив со стержня, гайка продолжит движение, вращаясь в воздухе.
Во время спасательной операции космической станции «Салют-7» Владимир Джанибеков заметил: если не трогать гайку, то, пролетев небольшое расстояние, она самостоятельно развернется в воздухе на 180° и продолжит лететь. Спустя еще какое-то время это повторится снова.
Космонавт провел множество экспериментов, но всякий раз результаты оказывались одними и теми же. Вращающаяся в воздухе гайка постоянно делала развороты на 180° через равные расстояния. Проведя эксперимент с другими предметами, например, с обычной гайкой, к которой прикрепили шарик из пластилина, Джанибеков убедился, что не только гайка-бабочка демонстрирует необычное поведение.
Как это объяснить?
Первая публикация, объясняющая странное поведение объекта, вращающегося в невесомости, появилась в 1991 году. Но сам эффект был известен задолго до этого. Еще в 1834 году Луи Пуансо в своей работе «Новая теория вращения тел» показал, что вращение тела вокруг промежуточной (средней) главной оси инерции носит неустойчивый характер. В то время как вращение вокруг двух других осей — устойчивое. Общие принципы, описывающие вращение твердого тела, еще раньше сформулировал математик Леонард Эйлер в теореме вращения Эйлера.
Напомним, главными осями инерции тела называются такие оси координат в декартовой системе, относительно которых центробежный момент инерции равен нулю. Главные оси инерции, проходящие через центр тяжести тела, называются главными центральными осями инерции тела. Через любую точку тела можно провести три главные оси, при этом все они будут взаимно перпендикулярны.
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.
Вращение твердого тела в системе координат, связанной с самим телом, описывается уравнениями Эйлера. Если применить их к твердому телу с тремя разными моментами инерции, можно увидеть, что при вращении вокруг средней оси инерции угловая скорость вокруг меньшей из осей будет возрастать, что и приведет к перевороту. В двух других случаях побочные эффекты в процессе вращения убывают.
Как можно наблюдать?
Наблюдать эффект Джанебекова можно не только в космосе в условиях невесомости, но и на Земле. Для этого достаточно теннисной ракетки. Нужно взять ракетку за ручку так, чтобы ее плоскость была расположена горизонтально. Если подбросить ее таким образом, чтобы она совершила полный оборот вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной ручке, а потом поймать ракетку, то окажется, что она также совершила пол-оборота вокруг вертикальной оси.
Напротив, если, подбрасывая ракетку, придать ей вращение вокруг одной из двух других осей (проходящих вокруг оси рукоятки или вертикальной оси), то вращение будет осуществляться только вокруг них.
Тот же эксперимент можно повторить с любым твердым телом, у которого есть три разных главных момента вращения. Например, подойдет книга или смартфон. Хотя эксперименты с последним чреваты разбитым экраном и мы их не рекомендуем, эффект Джанибекова будет работать. В обоих случаях средней будет ось, перпендикулярная длинной стороне книги или телефона.
Просто красивая математика?
Эффект Джанибекова — это не просто забавный факт, который интересно наблюдать. Случайные вращения могут изменить траекторию космического корабля или спутника. При этом не стоит переживать за вращение Земли или спутников. В этих случаях на вращение влияют другие силы, например, приливные, которые способны рассеивать энергию вращения вокруг других осей, в результате чего тело стабильно вращается вокруг оси с наибольшим моментом вращения.
Кроме того, эффект Джанибекова нашел применение в квантовой физике. Кванты также обладают угловым моментом, известным как спин. На него можно воздействовать, применяя электромагнитное поле. В работе, опубликованной в журнале Scientific Reports, ученые обнаружили, что изменения поведения спина можно описать, используя те же математические формулы, которые объясняют теорему вращающейся ракетки.
Эту теорию можно применять, чтобы целенаправленно изменить ориентацию спина, тем самым сводя к минимуму ошибки, вызванные небольшими возмущениями. Это помогает оптимизировать электромагнитное управления квантовыми состояниями.
Читать далее:
Ученые приблизились к разгадке тайн пирамид: как древние люди смогли их построить
Раскрыт механизм сохранения здоровья печени в пожилом возрасте
Физики объяснили «космическую нестыковку» Хокинга: как это изменит науку