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神十四太空授课,航天员做“扳手翻转”实验,曾被苏联保密10年?

2023-02-04| 发布者: 宝坻便民网| 查看: 144| 评论: 3|来源:互联网

摘要: 神舟十四号飞行乘组的三位航天员在繁忙的空间站工作之余,又为在地球上翘首期待的孩子们准备了一堂生动的太...
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神舟十四号飞行乘组的三位航天员在繁忙的空间站工作之余,又为在地球上翘首期待的孩子们准备了一堂生动的太空授课。“天宫课堂”课程中会演示一个有趣的物理现象:“会掉头的扳手”——旋转的T字形扳手在没有外力干扰的情况下,它会自己掉头翻转。

你知道吗?这个现象是苏联宇航员最早发现的,为了避免引发“世界末日”的恐慌,科学家将其保密了十年!

T字形扳手在旋转过程中自动翻转

1985年6月,苏联宇航员弗拉基米尔·贾尼别科夫(VladimirDzhanibekov)乘坐联盟T-13飞船进入太空,他将在礼炮-7号空间站执行三个半月的太空任务。在空间站里拆卸一个货包时,他轻轻弹了紧固螺母的一只“兔耳朵”,看着螺母旋转着飞向空中。

在太空飞行的兔耳朵螺母

照平时,宇航员会很快伸手抓住螺母并将它装进裤兜里,这是他的第五次太空旅程,拆货包的任务很繁重,干活越快越好,并且螺母在失重状态下飞行早已是司空见惯了。然而贾尼别科夫发现了一个奇怪的现象:紧固螺母并没有按一个状态往前飞,而是转几圈后翻了一个身,然后再转几圈又翻一个身,每一次翻转差不多都是180度!

螺母在旋转时不停“翻身”

在没有外力作用下,螺母绕轴翻转是一种“异常”表现。于是他将螺母拧回去再试,还掏出另一只螺母重复做这个实验,发现结果是一样的:螺母会在旋转飞行的过程中不断翻转。

在成为宇航员之前,贾尼别科夫曾在列宁格勒大学攻读物理学,他意识到这种现象可能与螺母的重心偏离中轴线有关。于是他用橡皮泥捏了一颗球,在球的一端粘了个金属螺帽来改变重心,再将它旋转起来。结果橡皮泥球也跟紧固螺母一样,每转几圈就翻转180度,如此往复。

用橡皮泥捏的球旋转时也会翻身

贾尼别科夫将他观察到的现象报告给了苏联宇航局,科学家们大吃一惊,认为非同小可,决定对这件事严格保密。此后几年里,苏联科学家一直密切留意美国宇航员是不是也发现了这个神秘现象。

为什么苏联科学家如临大敌,要对一个新发现的太空物理现象如此惶恐呢?

因为大家都知道一个常识——我们的地球也像那颗橡皮泥球,它一刻不停地在旋转,并且地球也是一颗不均匀、不规则的球体。如果橡皮泥球会在没有外力作用下突然“翻身”,那么地球南北极会不会也在未来某一天猛地掉个儿?翻江倒海,巨浪滔天,那将是一场毁灭性的灾难!

如果地球翻身将带来毁灭

为了不引起世人的恐慌,科学家们决定在没有完全搞清楚原理之前,先把这件事压下来,不告诉任何人,并且一瞒就瞒了十年!

直到90年代后期,人们才知道这个“秘密”其实早在150年前就被发现,法国数学家路易斯·庞索1834年还把它写进了书里,只是在地球重力环境下不容易观察到罢了。随后“贾尼别科夫效应”被正式公开,称作“贾尼别科夫定理”或“中间轴定理”。

中间轴定理还有个名字叫“网球拍定理”,但这个网球拍把许多人搞晕,因为它跟我们在太空观察到的螺母翻转很不一样。

用网球拍演示“网球拍定理”

当你将网球拍(或者乒乓球拍)的拍面水平朝上向上扔,让它沿着拍框底部中轴线旋转,在完成360度空翻后接住它,会发现拍面在空中发生了侧向旋转(白色面朝上变成了红色朝上)。尽管你在抛起球拍时没有“拧手柄”的动作,球拍依然做的是“后空翻转体180度”而非“后空翻”!

中间轴定理中的“中间轴”并非指外部形状的“对称轴”,而是绕重心旋转时,转动惯量介于“最大惯量”与“最小惯量”之间的轴。正因为如此,网球拍绕球拍的轴(下图左的X轴)旋转是稳定的,因为此时它的转动惯量最小;而T形扳手绕X轴旋转最不稳定,因为它的转动惯量比Z轴大比Y轴小。

在这里,网球拍的Y轴是中间轴,T形扳手的X轴是中间轴。

中间轴不是“中间的轴”

在苏联公开“贾尼别科夫效应”之后,各国宇航员在太空就地取材做了大量实验,有用T字形扳手的:

T字形扳手翻转

有用带柄螺栓的:

带柄螺栓翻转

还有用剪线钳的:

钳子也会因旋转而翻转

看着这些小东西在空中翻来翻去挺有趣,我们的航天员在工作间隙也会拿工具试一试,然而看起来叶光富的尝试遇到了“挫折”。或许是他那个T字形扳手的杆比较长、手柄又很轻,在旋转时处于最小惯量,所以它不会“翻跟斗”。

飞行中的子弹能保持稳定,也因为它的自转轴是最小惯量轴,并且子弹的飞行时间很短。

叶光富的T形扳手不会翻转

那么,我们需要担心哪一天地球的南北极突然对调吗?

别看地球24小时才转一圈,它的角速度不快,但地球表面的切线速度可一点都不慢。地球赤道周长达到40075公里,如果你在新加坡,一秒钟就被带着“走”463米,超过340米/秒的音速!假如地球也像贾尼别科夫捏的橡皮泥球那样突然翻转,不仅会掀起滔天巨浪,连地壳都会掀翻,那绝对是一场灭顶之灾。

与叶光富的板手不同,地球的自转轴是最大惯量轴。因为地球是一个两极稍扁、赤道略鼓的椭球体,赤道半径比极半径长约22千米,这确保了地球自转的相对稳定。

严格地讲,地球不是一个理想的自转体,它表面不平滑,有高山、平原、峡谷和海沟,有人说它像大鸭梨。但你要是把地球的比例缩小到篮球那么大,就会发现它其实比篮球要光滑许多;地球不是理想的刚体,它的内核包裹着几千公里厚的铁水,地幔也是有弹性的;地球表面大约有70%的面积被海水覆盖,海洋也是地球自转的天然“稳定器”;在距离我们38万公里的地方,月球对地球的潮汐引力也是地球稳定自转的重要因素。

所以你大可不必担心地球突然反转。



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