太空科學(xué)課（十八）
——會(huì)調(diào)頭的扳手

文/太空熊貓君 圖 / 趙趙

上一期，我們一起學(xué)習(xí)了神舟十四號(hào)航天員展示的水球變“懶”和太空趣味飲水兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，接下來(lái)航天員又為我們展示了什么實(shí)驗(yàn)?zāi)?？一起?lái)看看吧！

隨著直播鏡頭的切換，陳冬來(lái)到了我們的面前，并且拿出了兩個(gè)T 字扳手。T 字扳手長(zhǎng)桿的末端是一個(gè)金屬套筒，可以套在螺絲或者螺母上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，套筒的另一端則是一個(gè)和長(zhǎng)桿垂直的手柄，與長(zhǎng)桿構(gòu)成了一個(gè)T 字形的結(jié)構(gòu)。陳冬將兩個(gè)扳手分別旋轉(zhuǎn)起來(lái)，神奇的現(xiàn)象出現(xiàn)了！

我們之前看到過(guò)太空中陀螺的旋轉(zhuǎn)，在沒(méi)有外力的作用下，陀螺會(huì)圍繞著一個(gè)方向固定的軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)?？墒钱?dāng)T 字扳手旋轉(zhuǎn)起來(lái)之后，我們清楚地看到扳手每旋轉(zhuǎn)幾周之后，就會(huì)發(fā)生一次大反轉(zhuǎn)，整個(gè)旋轉(zhuǎn)軸會(huì)發(fā)生顛倒！

為什么會(huì)出現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象？這背后還有一段人類航天史上的秘密。1985年2 月，在軌運(yùn)行的蘇聯(lián)空間站禮炮七號(hào)發(fā)生了故障——無(wú)線電發(fā)射機(jī)關(guān)閉了。當(dāng)時(shí)禮炮七號(hào)上沒(méi)有航天員常駐，所以故障也沒(méi)辦法直接處理。地面的指揮中心嘗試重啟設(shè)備，結(jié)果不但無(wú)線電發(fā)射機(jī)沒(méi)有恢復(fù)正常，無(wú)線電接收機(jī)也無(wú)法工作了。這意味著禮炮七號(hào)完全和地面失去了聯(lián)系，只能安排航天員上去維修。1985 年6 月，兩名蘇聯(lián)航天員弗拉基米爾?賈尼別科夫和維克多?薩維內(nèi)赫乘坐聯(lián)盟T-13 飛船進(jìn)入了空間站，并且修復(fù)了故障。就在這次修理任務(wù)中，賈尼別科夫發(fā)現(xiàn)一個(gè)神奇的現(xiàn)象：高速旋轉(zhuǎn)的蝶形螺母轉(zhuǎn)著轉(zhuǎn)著，會(huì)突然調(diào)頭，這個(gè)顛倒過(guò)來(lái)的自轉(zhuǎn)軸，過(guò)了一會(huì)兒又會(huì)顛倒回去，而且只要螺母在旋轉(zhuǎn)，這個(gè)顛倒翻轉(zhuǎn)就會(huì)一直發(fā)生。這個(gè)現(xiàn)象也因此得名賈尼別科夫效應(yīng)。

這和陳冬為我們展示的T 字扳手翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象是同一種現(xiàn)象，但是這段故事并沒(méi)有就此結(jié)束。在賈尼別科夫向蘇聯(lián)科學(xué)家報(bào)告了這個(gè)現(xiàn)象之后，科學(xué)家們感到非常震驚。他們想，如果旋轉(zhuǎn)的物體都會(huì)發(fā)生周期性翻轉(zhuǎn)，那我們的地球是不是也會(huì)忽然翻轉(zhuǎn)呢？如果地球發(fā)生了翻轉(zhuǎn)，不僅我們賴以生存的地磁場(chǎng)強(qiáng)度和大氣層臭氧含量會(huì)降低，還會(huì)引發(fā)大規(guī)模的海嘯和超級(jí)地震，這對(duì)人類乃至地球上所有的物種都是毀滅性的打擊！簡(jiǎn)而言之，他們認(rèn)為賈尼別科夫效應(yīng)預(yù)示了地球末日的到來(lái)！為了避免引起公眾恐慌，科學(xué)家們選擇了對(duì)賈尼別科夫效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行保密。

1991 年，科學(xué)期刊《動(dòng)力學(xué)與微分方程》上發(fā)表了一篇名為《扭轉(zhuǎn)的網(wǎng)球拍》的論文。作者通過(guò)一個(gè)例子為我們揭開(kāi)了賈尼別科夫效應(yīng)的秘密。事實(shí)上，賈尼別科夫效應(yīng)不僅會(huì)在太空中出現(xiàn)，我們?cè)诘孛嫔弦埠苋菀讖?fù)現(xiàn)這個(gè)現(xiàn)象。

握住一個(gè)網(wǎng)球拍，我們有幾種方式讓它在空中旋轉(zhuǎn)起來(lái)呢？如果你嘗試幾次就會(huì)發(fā)現(xiàn)，球拍的旋轉(zhuǎn)方式有三種：第一種是讓球拍水平放置，我們也在水平方向上旋轉(zhuǎn)手腕，讓球拍沿著手柄的方向旋轉(zhuǎn)；第二種是讓球拍拍面水平，我們用力向上拋起球拍，球拍也會(huì)在空中翻轉(zhuǎn)；第三種則是讓球拍拍面豎直，我們同樣向上拋起球拍。這三種方式其實(shí)對(duì)應(yīng)了一個(gè)三維物體發(fā)生旋轉(zhuǎn)時(shí)候的三個(gè)軸。事實(shí)上，除了質(zhì)地均勻的球體或者圓盤(pán)，任何一個(gè)三維物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)都會(huì)有三個(gè)軸。這三種運(yùn)動(dòng)看似只是旋轉(zhuǎn)所圍繞的軸不同，其實(shí)在物理學(xué)的視角下它們內(nèi)藏玄機(jī)。

我們之前講過(guò)，任何一個(gè)物體都具有慣性，它可以讓物體保持原來(lái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。而旋轉(zhuǎn)起來(lái)的物體也會(huì)具有保持旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的慣性，科學(xué)家們把它叫作轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。當(dāng)網(wǎng)球拍以不同的方式旋轉(zhuǎn)起來(lái)之后，它所具有的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量也不同?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)球拍旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量處于最小或者最大的狀態(tài)時(shí)，它的旋轉(zhuǎn)是穩(wěn)定的，而三種旋轉(zhuǎn)方式中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量處于中間大小的那個(gè)狀態(tài)，卻是非常不穩(wěn)定的，這種不穩(wěn)定就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的翻轉(zhuǎn)。

前面介紹的三種網(wǎng)球拍旋轉(zhuǎn)方式中，第一種是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小的狀態(tài)、第三種是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的狀態(tài)，它們的旋轉(zhuǎn)軸方向都是穩(wěn)定的；而第二種旋轉(zhuǎn)方式則是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大小居中的狀態(tài)，所以被拋出的網(wǎng)球拍會(huì)在空中發(fā)生翻轉(zhuǎn)。而這，和賈尼別科夫在太空站發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象是完全相同的原理。所以賈尼別科夫效應(yīng)也被稱為網(wǎng)球拍效應(yīng)。

你也可以在家里驗(yàn)證一下賈尼別科夫效應(yīng)，拿一個(gè)輕便且不會(huì)摔壞的立方體物品，例如一包紙巾或是一個(gè)乒乓球拍，嘗試沿著不同的軸向讓它在空中旋轉(zhuǎn)起來(lái)，觀察它是否會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。溫馨提示，如果你覺(jué)得此現(xiàn)象不容易觀察，可以讓爸爸媽媽幫忙錄像，再通過(guò)慢速播放來(lái)觀察。

賈尼別科夫效應(yīng)的原理得到了解釋，那蘇聯(lián)科學(xué)家們的擔(dān)心是否合理、地球是否會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)呢？結(jié)論是他們確實(shí)是多慮了。地球作為一個(gè)球體，本身就不會(huì)有三種旋轉(zhuǎn)方式，而且地球內(nèi)部存在大量的液態(tài)巖漿，這使得地球只能采取轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最大的方式旋轉(zhuǎn)，所以地球的自轉(zhuǎn)方向是非常穩(wěn)定的，大家別擔(dān)心，地球的旋轉(zhuǎn)軸根本不可能發(fā)生翻轉(zhuǎn)！