網(wǎng)球拍的花式旋轉(zhuǎn)

文/周丹丹 邵明輝 圖/趙趙

在地球上，我們旋轉(zhuǎn)T 字扳手并拋出，T 字扳手會按照拋出時的趨勢運動，隨后落地。在天宮課堂中，由于T 字扳手處于微重力環(huán)境中，旋轉(zhuǎn)的它會自己翻身，一會兒頭朝上，一會兒頭朝下，反反復(fù)復(fù)，是不是看起來非常有意思?今天我們來一起做一個實驗，在這個實驗中你就能觀察到此效應(yīng)。

用手握住一個網(wǎng)球拍的拍柄，此時可將網(wǎng)球拍看成一個剛體，使其中一個拍面（記為A 面）朝上并呈水平方向擺放，然后用力向上拋起網(wǎng)球拍，讓它繞水平面上垂直于拍柄的軸旋轉(zhuǎn)一圈，并重新抓住拍柄，你將會發(fā)現(xiàn)原本朝上的A 面也繞拍柄軸旋轉(zhuǎn)了大約半圈后方向變成朝下了。如果你將拍面立起來拋起并接住，或者讓網(wǎng)球拍繞拍柄軸旋轉(zhuǎn)，則看不到類似的現(xiàn)象。這個實驗也可以用一本書或一個羽毛球拍來完成。該效應(yīng)只需要物體的旋轉(zhuǎn)軸與其第二主軸稍有偏差，與空氣阻力或重力無關(guān)。

太空中的T 字扳手為什么會調(diào)頭？網(wǎng)球拍等物體旋轉(zhuǎn)時為什么會發(fā)生翻轉(zhuǎn)？我們先來認(rèn)識以下概念。

概念一點通

剛體

在任何外力的作用下，不考慮其變形，形狀和狀態(tài)都不發(fā)生改變的物體就叫作剛體。

主軸

主軸是一種旋轉(zhuǎn)軸，通常被用于各種機(jī)械中，作為動力傳輸和支撐零件的關(guān)鍵組成部分。它的主要功能包括傳遞動力、承受載荷以及支撐和定位工作件。此外，主軸還需要具備較高的剛性、精度和抗疲勞性能，以保證機(jī)械設(shè)備的高效穩(wěn)定運行。

原理揭秘

在天宮課堂的實驗中，兩個T 字扳手的旋轉(zhuǎn)方式不同、質(zhì)量分布不同，所以出現(xiàn)了不同的調(diào)頭現(xiàn)象。這是在失重環(huán)境下出現(xiàn)的奇妙現(xiàn)象，也是科學(xué)世界的魅力所在。

科學(xué)家將這個現(xiàn)象解釋為，剛體繞著3 個不同主軸旋轉(zhuǎn)，當(dāng)繞著最長的主軸（B 軸）或者最短的主軸（A軸）旋轉(zhuǎn)時是穩(wěn)定的，而繞著中等長度的主軸（C 軸，中間軸）旋轉(zhuǎn)時則不穩(wěn)定。這個現(xiàn)象也叫作網(wǎng)球拍定理或者中間軸定理。

太空中的T 字扳手在旋轉(zhuǎn)時是有3 個主軸的，不知你有沒有發(fā)現(xiàn)，如果它繞著中間長度的主軸旋轉(zhuǎn)，并不會穩(wěn)定地做周期性的翻轉(zhuǎn)。

在失重環(huán)境下，T 字扳手的旋轉(zhuǎn)加翻身的動作就會更加明顯和持久。由于兩個T 字扳手的形狀不同，質(zhì)量分布也不同，所以它們的中間軸也不同，旋轉(zhuǎn)起來時的現(xiàn)象也不一樣。注意，如果剛體對稱度高，旋轉(zhuǎn)主軸小于3 個，就不會有這個現(xiàn)象了，比如籃球、圓環(huán)。在地球上的我們想感受一下這個實驗，除了網(wǎng)球拍，還可以用一本書、一個羽毛球拍等物品。

輕松答題

如圖所示的三頭扳手，在空間站內(nèi)能不能完成“調(diào)頭”的實驗?zāi)兀?/p>

A.能 B.不能