在太空实验中,有一个非常奇怪的现象,据说被苏联秘密研究了10年,可能与地球的命运相关!宇航员偶然发现,空间站内的一个把手在绕主轴旋转时,轴向竟会有规律地发生变化,每过几秒翻转180°,也就是说把手旋转时轴向竟然是不稳定的。是不是感觉很神奇呢?
而且这种现象不只存在于把手上,当一个蝶形螺母在绕主轴旋转时,也会存在轴向不稳定的情况,像这类现象就叫做“贾尼别科夫定理”,因为首次发现这个现象的宇航员就叫贾尼别科夫。他在国际空间站时,偶然用手轻轻拨了一下悬浮在空中的蝶形螺母,于是就发现了这种神奇的现象。
在我们的常识中,物体通常是按照一条稳定的轴向旋转的,在没有外力干扰的情况下,轴向怎么会发生变化呢?在空旷的太空中,任何异常现象都不能掉以轻心,所以在贾尼别科夫眼中,这一现象不但不那么有趣,甚至还有些细思极恐。所以他很快就做了另一个实验,把这个螺母固定在一团球型橡皮泥的一侧,再来旋转测试,结果发现这个橡皮泥的轴向也是不稳定的。
如果说物体旋转的轴向是不稳定的,那么是不是就意味着地球的轴向也会发生改变呢?如果地球的轴向真的也不稳定,那么发生变化的时间是多久呢?如果那时地球也像这个橡皮泥一样,发生180°的翻转,这对我们人类来说后果是不堪设想的。贾尼别科夫细思极恐,很快便将这一现象汇报给了苏联当局,然后一直秘密地进行研究。
然而这一现象背后的原因,竟然在六年以后,偶然地从另一个研究中得到了解释。在1991年,科学家发布了一篇名为《扭转的网球拍》的论文,这项研究在完全不知道贾尼别科夫发现的情况下,解释了轴向转变的问题,而且解释这一现象的不是蝶形螺母,而是一个网球拍。一次偶然的研究,偶然地解释了另一个偶然的发现,是不是感觉很神奇呢?
为了更好地理解:网球拍是如何解释螺母旋转异常现象的?我们先得了解一点点旋转运动力学的知识,在物理课上有提到过,旋转运动中的很多物理量,和牛顿直线运动中的很多物理量,都是互相对应的。在旋转运动中会产生转动惯量,和直线运动的质量相对应,同时也与物体旋转时的质量分布有关。
要怎样理解呢?用网球拍来类比,在旋转运动中,网球拍存在三条主轴,第一条直线穿过握把,这时质量分布靠近轴心,所以转动惯量较小;第二条轴垂直穿过网球拍面,质量分布离轴心最远,转动惯量最大;第三条平行穿过拍面,转动惯量处于前两条之间。
当球拍绕着第三条主轴为轴心旋转时,由于转动惯量既不是最大的,也不是最小的,处于不稳定的状态,轴向就会不断发生转变。而在前两个轴上,由于转动惯量处于最大和最小两个极端,旋转时轴向都是稳定的。这种现象就叫做网球拍定理,也可以说是贾尼别科夫定理或者中间轴定理。
所以前面的两个现象就很好解释了,因为把手和蝶形螺母都是绕第二转轴旋转,转动惯量都不稳定,所以在太空微重力环境下,只要受到轻微的扰动,转向就会不断转换。这种现象时常发生于我们的生活当中,但由于地球引力影响,持续时间较短,所以平时较难发现。
而地球的转向是否也会发生改变呢?答案是:不会。因为地球始终都是绕着最大转动惯量的轴旋转的,所以转向非常稳定,是不会发生改变的。因此我们不必担心地球突然一下180°大反转,我们从南极被甩到北极这样的事情发生,毕竟我们的地球母亲已经这样旋转了45亿年了呀。但如果真的哪天地球转向发生转变,你觉得会是因为什么呢?