Почему ракетка кувыркается в воздухе и как это связано с квантовой физикой

Публикация: 16.09.2022
Источник Комментарии

Почему ракетка кувыркается в воздухе и как это связано с квантовой физикой

В 1980 году профессор факультета статистики Чикагского университета Стивен Мак Стиглер сформулировал закон Стиглера об эпонимии. Он говорит, что «никакое научное открытие не было названо в честь первооткрывателя» (No scientific discovery is named after its original discoverer). Чтобы показать, что это не просто слова, сам Стиглер приписывает первоначальное открытие этого закона американскому социологу Роберту Мортону.

Пять лет спустя советский космонавт Владимир Джанибеков, наблюдая за поведением гайки в невесомости, заметил необычный эффект. Словно бы в подтверждение закона Стиглера, он получит название эффекта Джанибекова, хотя на самом деле является следствием ключевых постулатов классической механики, сформулированных задолго до этого.

Что увидел космонавт?

Доставленный на орбиту груз, как правило, закрывается с помощью специальных барашковых гаек или бабочек. Это такая конструкция с небольшими ушками, которая не требует специального инструмента, чтобы ее раскрутить. В невесомости достаточно ударить по одному «ушку» бабочки и она сама раскрутится. При этом на орбите, соскочив со стержня гайка продолжит движение, вращаясь в воздухе.

Во время спасательной операции космической станции «Салют-7» Владимир Джанибеков заметил, что если не трогать гайку, то, пролетев небольшое расстояние, она самостоятельно развернется в воздухе на 180° и продолжит лететь. Спустя еще какое-то время это повторится снова.

Космонавт провел множество экспериментов, но всякий раз результаты оказывались одними и теми же. Вращающаяся в воздухе гайка постоянно делала развороты на 180° через равные расстояния. Проведя эксперимент с другими предметами, например, с обычной гайкой, к которой прикрепили шарик из пластилина, Джанибеков убедился, что не только гайка-бабочка демонстрирует необычное поведение.


Как это объяснить?

Первая публикация, объясняющая странное поведение объекта, вращающегося в невесомости, появилась в 1991 году. Но сам эффект был известен задолго до этого. Еще в 1834 году Луи Пуансо в своей работе «Новая теория вращения тел» показал, что вращение тела вокруг промежуточной (средней) главной оси инерции носит неустойчивый характер. В то время как вращение вокруг двух других осей — устойчивое. Общие принципы, описывающие вращение твердого тела, еще раньше сформулировал математик Леонард Эйлер в теореме вращения Эйлера.

Напомним, главными осями инерции тела называются такие оси координат в декартовой системе, относительно которых центробежный момент инерции равен нулю. Главные оси инерции, проходящие через центр тяжести тела, называются главными центральными осями инерции тела. Через любую точку тела можно провести три главные оси, при этом все они будут взаимно перпендикулярны.

Необычные кульбиты в воздухе объясняют небольшими отклонениями, которые возникают при вращении. Если закрутить тело строго вокруг средней главной центральной оси (той, момент инерции которой занимает промежуточное положение), ничего не произойдет. Но в реальных условиях, вращение происходит не только вокруг одной оси. Небольшие колебания, приводят к тому, что тело начинает вращаться вокруг всех трех осей. 

Вращение твердого тела в системе координат, связанной с самим телом, описывается уравнениями Эйлера. Если применить их к твердому телу с тремя разными моментами инерции, можно увидеть, что при вращении вокруг средней оси инерции угловая скорость вокруг меньшей из осей будет возрастать, что и приведет к перевороту. В двух других случаях побочные эффекты в процессе вращения убывают.

Визуализация нестабильности средней оси. Величина углового момента и кинетическая энергия вращающегося объекта сохраняются. В результате вектор угловой скорости остается на пересечении двух эллипсоидов. Изображение: Student298, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Как можно наблюдать?

Наблюдать эффект Джанебекова можно не только в космосе в условиях невесомости, но и на Земле. Для этого достаточно теннисной ракетки. Нужно взять ракетку за ручку так, чтобы ее плоскость была расположена горизонтально. Если подбросить ее таким образом, чтобы она совершила полный оборот вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной ручке, а потом поймать ракетку, то окажется, что она также совершила пол оборота вокруг вертикальной оси.

Вращение теннисной ракетки в полете. Изображение: Steffen Glaser, TUM

Напротив, если, подбрасывая ракетку, придать ей вращение вокруг одной из двух других осей (проходящих вокруг оси рукоятки или вертикальной оси), то вращение будет осуществляться только вокруг них.

Тот же эксперимент можно повторить с любым твердым телом, у которого есть три разных главных момента вращения. Например, подойдет книга или смартфон. Хотя эксперименты с последним чреваты разбитым экраном, и мы их не рекомендуем, эффект Джанибекова будет работать. В обоих случаях средней будет ось перпендикулярная длинной стороне книги или телефона.

Вращение теннисной ракетки. Изображение: Cmglee, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

Просто красивая математика?

Эффект Джанибекова — это не просто забавный факт, который интересно наблюдать. Случайные вращения могут изменить траекторию космического корабля или спутника. При этом не стоит переживать за вращение Земли или спутников. В этих случаях на вращение влияют другие силы, например, приливные, которые способны рассеивать энергию вращения вокруг других осей, в результате чего тело стабильно вращается вокруг оси с наибольшим моментом вращения.

Кроме того, эффект Джанибекова нашел применение в квантовой физике. Кванты также обладают угловым моментом, известным как спин. На него можно воздействовать, применяя электромагнитное поле. В работе, опубликованной в журнале Scientific Reports ученые обнаружили, что изменения поведения спина можно описать, используя те же математические формулы, которые объясняют теорему вращающейся ракетки.

Эту теорию можно применять, чтобы целенаправленно изменить ориентацию спина, тем самым сводя к минимуму ошибки, вызванные небольшими возмущениями. Это помогает оптимизировать электромагнитное управления квантовыми состояниями.

Иллюстрация теоремы вращающейся ракетки для квантов. Изображение: Van Damme et al., Scientific Reports

Читать далее:

Ученые приблизились к разгадке тайн пирамид: как древние люди смогли их построить

Раскрыт механизм сохранения здоровья печени в пожилом возрасте

Физики объяснили «космическую нестыковку» Хокинга: как это изменит науку


Понравилась статья? Поделись с друзьями!

LongReef Team Автор статьи: LongReef Team
20
Нет Комментариев.
Но, вы можете быть первыми кто его оставит

Авторизуйся что бы оставить свой коммент...

Популярные Статьи

Первый эксперимент по защите Земли от космической угрозы прошел, но успешно или нет, пока не ясно....
27.09.2022
Рынок ИИ в медицине за ближайшие шесть лет вырастет почти в десять раз — с $6,9 млрд до $67 млрд. В...
23.09.2022
С помощью физики и крохотного магнита исследователи обнаружили новую структуру теломерной ДНК....
22.09.2022
19 сентября Европейское космическое агентство опубликовало новый снимок телескопа «Джеймс Уэбб». На...
21.09.2022
Загадка космических лучей давно не дает покоя ученым. Однако новая разработка поможет физикам....
20.09.2022
Почти три десятилетия назад российский космонавт Валерий Поляков установил рекорд, проведя в...
20.09.2022
Лось для краш-теста, запоры у скорпионов и биение сердца влюбленных — все это не шуточные фразы, а...
16.09.2022
У ученых тоже бывают курьезные истории и ошибки, иногда они даже приводят к неожиданным открытиям....
15.09.2022
Используя данные, собранные космическим зондом Solar Orbiter во время последнего сближения со...
14.09.2022
В России кадровый голод ИТ-рынка оценивается в миллион человек. По подсчетам Ассоциации предприятий...
13.09.2022
Одна из основных цель астрономов — найти жизнь за пределами Солнечной системы. Недавно прозвучал...
13.09.2022
Ученые впервые доказали предполагаемое существование вихрей в черных дырах. «Хайтек» рассказывает,...
12.09.2022
От секретного дверного проема до образа ангела и сперматозоидов — необычные снимки с Марса...
09.09.2022
Недавно распространившийся компьютерный вирус использует изображение, полученное космическим...
08.09.2022
Большой адронный коллайдер в ЦЕРН вернулся к работе после запланированного на три года технического...
08.09.2022
Европейское космическое агентство (ЕКА) объявило о создании установки для сверхбыстрого...
07.09.2022
В последнее годы с Бетельгейзе происходит много странного, стоит вспомнить ее затмение. Оказалось,...
07.09.2022
Пузыри Ферми — одна из самых необычных структур Млечного Пути. Гигантские волны плазмы,...
06.09.2022
На прошлой неделе было опубликовано первое изображение экзопланеты, расположенной за пределами...
05.09.2022
НАСА назначило на 3 сентября запуск сверхтяжелой ракеты, которая должна стать первым шагом к...
02.09.2022
Сильное взаимодействие определяет фундаментальные свойства материи, связывает кванты в адроны и...
02.09.2022
Метавселенная, виртуальная, дополненная и смешанная реальность — это не только про игры и...
31.08.2022
Огромный чашеобразный метеоритный кратер в Аризоне, который образовался около 50 000 лет назад,...
31.08.2022
Открытие расширения Вселенной удалось объяснить, добавив в космологическую модель таинственную...
30.08.2022
Фантастические миры и их обитатели будоражат умы людей уже более сотни лет, и технологии,...
30.08.2022
Энергию можно улавливать в виде электрического заряда и тепла, но до сих пор было невозможно...
29.08.2022
В августе 1992 года ученые обнаружили первый объект пояса Койпера. За прошедшие 30 лет их...
29.08.2022
Ученые давно мечтают о том, чтобы использовать возможности квантового мира для решения практических...
26.08.2022
Кембрийский взрыв известен тем, что множество странных и экзотических существ появились именно...
24.08.2022
Международная группа исследователей наконец-то доказала, что медленно вращающиеся черные дыры Керра...
23.08.2022
История происхождения спутников Марса — Фобоса и Деймоса — на протяжении многих лет остается тайной...
23.08.2022
Направляя лазерный импульс Фибоначчи на атомы внутри квантового компьютера, физики создали...
22.08.2022
Тихий океан считается самым большим на Земле. Но на самом деле это лишь след от Панталасса....
22.08.2022
Прошло уже почти 100 лет с тех пор, как астрофизики пришли к консенсусу и признали расширение...
19.08.2022
На прошлой неделе китайские СМИ объявили о завершении строительства первой испытательной линии...
17.08.2022
Экстремальная жара в 2022 году вызвала лесные пожары, засуху и таяние ледников. Однако благодаря ей...
17.08.2022
Для тех, кому всегда хотелось назвать планету, НАСА подготовило такую возможность. «Хайтек»...
16.08.2022
Сноуборд появился благодаря коренным гавайцам, желанию серферов кататься, даже когда нет волн, и...
16.08.2022
После запуска телескопа «Джеймс Уэбб» астрофизики начали объявлять об обнаружении самых далеких и...
16.08.2022
Исследование показало, что темная энергия появляется в результате давления гигантских космических...
12.08.2022
Огромный телескоп Магеллана стал на шаг ближе к тому, чтобы стать самым большим из когда-либо...
11.08.2022
26 июля «Роскосмос» заявил, что Россия покинет Международную космическую станцию после 2024 года и...
10.08.2022
Землеройки переносят новый вирус в Китае. «Хайтек» рассказывает о симптомах и возможной угрозе.
10.08.2022
Социологи из Чикагского университета разработали алгоритм, который может прогнозировать...
10.08.2022
Идею, которая раньше была только гипотезой и частью научной фантастики, теперь можно подтвердить....
09.08.2022
6 августа 2012 года марсоход Curiosity успешно приземлился в кратере Гейла на Марсе. За эти годы он...
08.08.2022
Кризис производства кремния показал, как сильно мы зависим от полупроводников. Нехватка материала,...
06.08.2022
Ученые разработали принципиально новую стратегию создания квантовых компьютеров. «Хайтек»...
05.08.2022
Группа искусственного интеллекта DeepMind раскрыла структуру почти каждого белка, известного науке....
05.08.2022
Автономный миниатюрный робот будет оперировать астронавтов и землян в удаленных регионах. «Хайтек»...
03.08.2022
Изучение и освоение Арктики, развитие Северного морского пути — один из приоритетов России....
03.08.2022
Сетевая система на борту МКС направляет лазерный луч на Землю, чтобы бороться с вырубкой лесов. Это...
02.08.2022
В ходе нового исследования ученые выяснили, что супергены встречаются гораздо чаще, чем считалось...
01.08.2022
Ученые исследовали распределение темной материи на расстоянии в 12 млрд световых лет, и это не...
01.08.2022
В эти выходные, 30 по 31 июля будет сразу три метеорных потока одновременно. Этот небесный...
29.07.2022
Космические агентства отслеживают траекторию полета китайской ракеты, которая, по прогнозам, должна...
29.07.2022
Исследователи рассказали о биолюминесцентных бактериях, которые образуют редкое световое явление:...
29.07.2022
Новаторская швейцарская школа-интернат в сотрудничестве с архитектурной компанией SAGA Space...
28.07.2022
Во всем мире уже несколько лет говорят об ответственном отношении к планете и снижении углеродного...
27.07.2022
Исследователи рассказали о математической тревоге — это изнурительный процесс волнения, когда...
27.07.2022