神十四太空授課,航天員做「扳手翻轉」實驗,曾被蘇聯保密10年?

老粥科普 發佈 2022-10-13T13:24:38.098153+00:00

神舟十四號飛行乘組的三位航天員在繁忙的空間站工作之餘,又為在地球上翹首期待的孩子們準備了一堂生動的太空授課。「天宮課堂」課程中演示了一個有趣的物理現象:「會掉頭的扳手」——旋轉的T字形扳手在沒有外力干擾的情況下,它會自己掉頭翻轉。你知道嗎?

神舟十四號飛行乘組的三位航天員在繁忙的空間站工作之餘,又為在地球上翹首期待的孩子們準備了一堂生動的太空授課。「天宮課堂」課程中演示了一個有趣的物理現象:「會掉頭的扳手」——旋轉的T字形扳手在沒有外力干擾的情況下,它會自己掉頭翻轉。

你知道嗎?這個現象是蘇聯太空人最早發現的,為了避免引發「世界末日」的恐慌,科學家將其保密了十年!

1985年6月,蘇聯太空人弗拉基米爾·賈尼別科夫(Vladimir Dzhanibekov)乘坐聯盟T-13飛船進入太空,他將在禮炮-7號空間站執行三個半月的太空任務。在空間站里拆卸一個貨包時,他輕輕彈了緊固螺母的一隻「兔耳朵」,看著螺母旋轉著飛向空中。

照平時,太空人會很快伸手抓住螺母並將它裝進褲兜里,這是他的第五次太空旅程,拆貨包的任務很繁重,幹活越快越好,並且螺母在失重狀態下飛行早已是司空見慣了。然而賈尼別科夫發現了一個奇怪的現象:緊固螺母並沒有按一個狀態往前飛,而是轉幾圈後翻了一個身,然後再轉幾圈又翻一個身,每一次翻轉差不多都是180度!

在沒有外力作用下,螺母繞軸翻轉是一種「異常」表現。於是他將螺母擰回去再試,還掏出另一隻螺母重複做這個實驗,發現結果是一樣的:螺母會在旋轉飛行的過程中不斷翻轉。

在成為太空人之前,賈尼別科夫曾在列寧格勒大學攻讀物理學,他意識到這種現象可能與螺母的重心偏離中軸線有關。於是他用橡皮泥捏了一顆球,在球的一端粘了個金屬螺帽來改變重心,再將它旋轉起來。結果橡皮泥球也跟緊固螺母一樣,每轉幾圈就翻轉180度,如此往復。

賈尼別科夫將他觀察到的現象報告給了蘇聯宇航局,科學家們大吃一驚,認為非同小可,決定對這件事嚴格保密。此後幾年裡,蘇聯科學家一直密切留意美國太空人是不是也發現了這個神秘現象。

為什麼蘇聯科學家如臨大敵,要對一個新發現的太空物理現象如此惶恐呢?

因為大家都知道一個常識——我們的地球也像那顆橡皮泥球,它一刻不停地在旋轉,並且地球也是一顆不均勻、不規則的球體。如果橡皮泥球會在沒有外力作用下突然「翻身」,那麼地球南北極會不會也在未來某一天猛地掉個個兒?翻江倒海,巨浪滔天,那將是一場毀滅性的災難!

為了不引起世人的恐慌,科學家們決定在沒有完全搞清楚原理之前,先把這件事壓下來,不告訴任何人,並且一瞞就瞞了十年!

直到90年代後期,人們才知道這個「秘密」其實早在150年前就被發現,法國數學家路易斯·龐索1834年還把它寫進了書里,只是在地球重力環境下不容易觀察到罷了。隨後「賈尼別科夫效應」被正式公開,稱作「賈尼別科夫定理」或「中間軸定理」。

中間軸定理還有個名字叫「網球拍定理」,但這個網球拍把許多人搞暈,因為它跟我們在太空觀察到的螺母翻轉很不一樣。

當你將網球拍(或者桌球拍)的拍面水平朝上向上扔,讓它沿著拍框底部中軸線旋轉,在完成360度空翻後接住它,會發現拍面在空中發生了側向旋轉(白色面朝上變成了紅色朝上)。儘管你在拋起球拍時沒有「擰手柄」的動作,球拍依然做的是「後空翻轉體180度」而非「後空翻」!

中間軸定理中的「中間軸」並非指外部形狀的「對稱軸」,而是繞重心旋轉時,轉動慣量介於「最大慣量」與「最小慣量」之間的軸。正因為如此,網球拍繞球拍的軸(下圖左的X軸)旋轉是穩定的,因為此時它的轉動慣量最小;而T形扳手繞X軸旋轉最不穩定,因為它的轉動慣量比Z軸大比Y軸小。

在這裡,網球拍的Y軸是中間軸,T形扳手的X軸是中間軸。

在蘇聯公開「賈尼別科夫效應」之後,各國太空人在太空就地取材做了大量實驗,有用T字形扳手的:

有用帶柄螺栓的:

還有用剪線鉗的:

看著這些小東西在空中翻來翻去挺有趣,我們的航天員在工作間隙也會拿工具試一試,然而看起來葉光富的嘗試遇到了「挫折」。或許是他那個T字形扳手的杆比較長、手柄又很輕,在旋轉時處於最小慣量,所以它不會「翻跟斗」。

飛行中的子彈能保持穩定,也因為它的自轉軸是最小慣量軸,並且子彈的飛行時間很短。

那麼,我們需要擔心哪一天地球的南北極突然對調嗎?

別看地球24小時才轉一圈,它的角速度不快,但地球表面的切線速度可一點都不慢。地球赤道周長達到40075公里,如果你在新加坡,一秒鐘就被帶著「走」463米,超過340米/秒的音速!假如地球也像賈尼別科夫捏的橡皮泥球那樣突然翻轉,不僅會掀起滔天巨浪,連地殼都會掀翻,那絕對是一場滅頂之災。

與葉光富的板手不同,地球的自轉軸是最大慣量軸。因為地球是一個兩極稍扁、赤道略鼓的橢球體,赤道半徑比極半徑長約22千米,這確保了地球自轉的相對穩定。

嚴格地講,地球不是一個理想的自轉體,它表面不平滑,有高山、平原、峽谷和海溝,有人說它像大鴨梨。但你要是把地球等比例縮小到籃球那麼大,就會發現它其實比籃球要光滑許多;地球不是理想的剛體,它的內核包裹著幾千公里厚的鐵水,地幔也是有彈性的;地球表面大約有70%的面積被海水覆蓋,海洋也是地球自轉的天然「穩定器」;在距離我們38萬公里的地方,月球對地球的潮汐引力也是地球穩定自轉的重要因素。

所以你大可不必擔心地球突然反轉。

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