Феномен, известный как эффект Джанибекова, теорема теннисной ракетки или теорема промежуточной оси, представляет собой удивительное явление вращения асимметричных тел. Он наблюдается при вращении объекта, имеющего три различных момента инерции относительно главных осей.
История открытия и ранние исследования
В 1985 году космонавт Владимир Джанибеков на борту станции «Салют-7» обнаружил необычное поведение гайки-барашка в невесомости. Вращаясь, гайка неожиданно переворачивалась на 180 градусов, затем повторяла переворот, продолжая кувыркаться с постоянной частотой. Это явление, необъяснимое с точки зрения внешних сил или импульсов, было засекречено на десять лет. В 1991 году в научном журнале появилась статья, описывающая аналогичный феномен с вращающейся теннисной ракеткой, без упоминания об «эффекте Джанибекова».
Вращение и моменты инерции
Любой асимметричный объект, например, теннисная ракетка, вращается вокруг трёх главных осей: вдоль рукоятки (минимальный момент инерции), перпендикулярно рукоятке и плоскости ракетки (промежуточный момент инерции), и перпендикулярно первым двум осям (максимальный момент инерции). Вращение вокруг первой и третьей осей стабильно. При вращении вокруг промежуточной оси происходит нежелательный дополнительный оборот на 180 градусов. Это наблюдается и с другими асимметричными объектами.
Объяснение явления
Физическое обоснование эффекта известно со времён работ Пуансо и Эйлера (более 150 лет назад). Расчёты сложны, но наглядно объяснить его можно так: представим тонкий диск с точечными массами на противоположных сторонах. Расположение масс обеспечивает три разных момента инерции. При вращении вокруг промежуточной оси, помимо центростремительной, проявляется центробежная сила, действующая на массы. В зависимости от ориентации диска, эта сила приводит к перевороту на 180 градусов. Затем процесс повторяется, вызывая периодическое вращение с дополнительным оборотом.
Засекречивание и спекуляции
Десятилетнее засекречивание породило множество теорий заговора. Аналогия вращения гайки с вращением Земли породила предположения о возможности изменения направления вращения планеты и связи с предсказаниями о конце света. Публикация статьи «Царь и крутящиеся гайки» подкрепила эти спекуляции.
Эксперименты и факторы стабильности
Эксперименты на МКС показали, что стабильность вращения зависит от распределения массы и рассеивания энергии. Например, цилиндр с жидкостью внутри, вращаясь вокруг оси с минимальным моментом инерции, со временем переходит к вращению вокруг оси с максимальным, из-за рассеивания энергии при движении жидкости. Аналогично, у спутника Explorer-1 гибкие антенны вызвали переход к вращению вокруг оси с максимальным моментом инерции. Земля, как и большинство космических тел, вращается вокруг оси с максимальным моментом инерции, обладая механизмами рассеивания энергии.
Эффект Джанибекова, кажущийся парадоксальным, полностью описывается законами классической механики. Засекречивание, вероятно, было связано не с научной значимостью, а с возникшими спекуляциями и теориями заговора. Феномен демонстрирует сложность и красоту законов вращения асимметричных тел.