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一顆螺母的異常旋轉,讓蘇聯秘密研究了10年,可能決定地球命運!

由 宋錢博士 發表于 舞蹈2023-01-11
簡介而且這種現象不只存在於把手上,當一個蝶形螺母在繞主軸旋轉時,也會存在軸向不穩定的情況,像這類現象就叫做“賈尼別科夫定理”,因為首次發現這個現象的宇航員就叫賈尼別科夫

物體旋轉與什麼有關

在太空實驗中,有一個非常奇怪的現象,據說被蘇聯秘密研究了10年,可能與地球的命運相關!宇航員偶然發現,空間站內的一個把手在繞主軸旋轉時,軸向竟會有規律地發生變化,每過幾秒翻轉180°,也就是說把手旋轉時軸向竟然是不穩定的。是不是感覺很神奇呢?

一顆螺母的異常旋轉,讓蘇聯秘密研究了10年,可能決定地球命運!

而且這種現象不只存在於把手上,當一個蝶形螺母在繞主軸旋轉時,也會存在軸向不穩定的情況,像這類現象就叫做“賈尼別科夫定理”,因為首次發現這個現象的宇航員就叫賈尼別科夫。他在國際空間站時,偶然用手輕輕撥了一下懸浮在空中的蝶形螺母,於是就發現了這種神奇的現象。

在我們的常識中,物體通常是按照一條穩定的軸向旋轉的,在沒有外力干擾的情況下,軸向怎麼會發生變化呢?在空曠的太空中,任何異常現象都不能掉以輕心,所以在賈尼別科夫眼中,這一現象不但不那麼有趣,甚至還有些細思極恐。所以他很快就做了另一個實驗,把這個螺母固定在一團球型橡皮泥的一側,再來旋轉測試,結果發現這個橡皮泥的軸向也是不穩定的。

一顆螺母的異常旋轉,讓蘇聯秘密研究了10年,可能決定地球命運!

如果說物體旋轉的軸向是不穩定的,那麼是不是就意味著地球的軸向也會發生改變呢?如果地球的軸向真的也不穩定,那麼發生變化的時間是多久呢?如果那時地球也像這個橡皮泥一樣,發生180°的翻轉,這對我們人類來說後果是不堪設想的。賈尼別科夫細思極恐,很快便將這一現象彙報給了蘇聯當局,然後一直秘密地進行研究。

然而這一現象背後的原因,竟然在六年以後,偶然地從另一個研究中得到了解釋。在1991年,科學家釋出了一篇名為《扭轉的網球拍》的論文,這項研究在完全不知道賈尼別科夫發現的情況下,解釋了軸向轉變的問題,而且解釋這一現象的不是蝶形螺母,而是一個網球拍。一次偶然的研究,偶然地解釋了另一個偶然的發現,是不是感覺很神奇呢?

一顆螺母的異常旋轉,讓蘇聯秘密研究了10年,可能決定地球命運!

為了更好地理解:網球拍是如何解釋螺母旋轉異常現象的?我們先得了解一點點旋轉運動力學的知識,在物理課上有提到過,旋轉運動中的很多物理量,和牛頓直線運動中的很多物理量,都是互相對應的。在旋轉運動中會產生轉動慣量,和直線運動的質量相對應,同時也與物體旋轉時的質量分佈有關。

要怎樣理解呢?用網球拍來類比,在旋轉運動中,網球拍存在三條主軸,第一條直線穿過握把,這時質量分佈靠近軸心,所以轉動慣量較小;第二條軸垂直穿過網球拍面,質量分佈離軸心最遠,轉動慣量最大;第三條平行穿過拍面,轉動慣量處於前兩條之間。

一顆螺母的異常旋轉,讓蘇聯秘密研究了10年,可能決定地球命運!

當球拍繞著第三條主軸為軸心旋轉時,由於轉動慣量既不是最大的,也不是最小的,處於不穩定的狀態,軸向就會不斷髮生轉變。而在前兩個軸上,由於轉動慣量處於最大和最小兩個極端,旋轉時軸向都是穩定的。這種現象就叫做網球拍定理,也可以說是賈尼別科夫定理或者中間軸定理。

所以前面的兩個現象就很好解釋了,因為把手和蝶形螺母都是繞第二轉軸旋轉,轉動慣量都不穩定,所以在太空微重力環境下,只要受到輕微的擾動,轉向就會不斷轉換。這種現象時常發生於我們的生活當中,但由於地球引力影響,持續時間較短,所以平時較難發現。

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而地球的轉向是否也會發生改變呢?答案是:不會。因為地球始終都是繞著最大轉動慣量的軸旋轉的,所以轉向非常穩定,是不會發生改變的。因此我們不必擔心地球突然一下180°大反轉,我們從南極被甩到北極這樣的事情發生,畢竟我們的地球母親已經這樣旋轉了45億年了呀。但如果真的哪天地球轉向發生轉變,你覺得會是因為什麼呢?