Эффект Джанибекова, китайский волчок и кельтский камень.
© Фисунов Владимир Александрович. 2009.
Во время своего пятого полета на космическом корабле «Союз Т-13″ и орбитальной станции «Салют-7″ (6 июня — 26 сентября 1985 года) Владимир Джанибеков обратил внимание на, казалось бы, необъяснимый с точки зрения современной механики и аэродинамики эффект, проявившийся в поведении самой обычной гайки, точнее гайки «с ушками» (барашками), которыми фиксировались металлические ленты закрепляющие мешки для упаковки вещей при транспортировке грузов в космос.
Разгружая очередной транспортный корабль, Владимир Джанибеков стукнул пальцем по одному уху «барашка». Обычно тот отлетал, и космонавт спокойно ловил его и ложил в карман. Но в этот раз Владимир Александрович не стал ловить гайку, которая к его большому удивлению пролетев около 40 сантиметров, неожиданно перевернулась вокруг своей оси, после чего все так же вращаясь полетела дальше. Пролетев еще примерно 40 сантиметров, она опять перевернулась. Это показалось космонавту настолько странным, что он закрутил «барашек» обратно и опять стукнул по нему пальцем. Результат оказался тем же!
Будучи необычайно заинтригованным столь странным поведением «барашка, Владимир Джанибеков повторил эксперимент с другим «барашком». Тот, также, переворачивался в полете, правда, через несколько большее расстояние (43 сантиметра). Аналогичным образом вел себя и, запущенный космонавтом, пластилиновый шарик. Он тоже, пролетев некоторое расстояние, переворачивался вокруг своей оси.
Стало понятно, что Владимир Джанибеков обнаружил совершенно новый эффект, который, казалось бы, нарушает стройность всех ранее признанных теорий и представлений - при движении в невесомости вращающегося тела, оно через строго определенные промежутки времени меняет направление оси своего вращения, совершая переворот на 180 градусов. При этом, как, собственно говоря, и должно быть по законам физики, центр масс тела продолжает равномерное и прямолинейное движение, в полном соответствии с первым законом Ньютона, а направление вращения тела после кувырка, как и должно быть по закону сохранения момента импульса, остается прежним, т.е. тело вращается в том же направлении относительно внешнего мира, в каком оно вращалось до кувырка!
Сложилась довольно таки интересная ситуация — есть результаты достаточно странного эксперимента в области механики, где, казалось бы, все давным-давно объяснено, и нет никакой гипотезы, объясняющей результаты этого эксперимента.
Для начала наши ученые попытались найти сообщения о подобном эффекте у зарубежных астронавтов. Но тех, видимо, не особо интересовали эксперименты с гайками, а посему пришлось разбираться самим. В результате, руководитель департамента прогнозирования природных рисков Национального комитета экологической безопасности, Виктор Фролов и заместитель директора НИИЭМ МГЩ член совета директоров центра полезных космических нагрузок, который занимался теоретической базой открытия, Михаил Хлыстунов, обнародовали совместный доклад, в котором об эффекте Джанибекова сообщили всей мировой общественности.
Вскоре оказалось, что объяснение эффекта Джанибекова вполне укладывается в рамки классической механики и заключается в том, что тело свободно вращающееся в невесомости и имеющее РАЗЛИЧНЫЕ моменты инерции и начальные скорости вращения относительно различных осей вращения, сначала вращается вокруг одной оси, потом эта ось вдруг неожиданно переворачивается в противоположенную сторону, после чего тело продолжает вращаться в ту же сторону, что и до переворота. Потом ось опять переворачивается в противоположенную сторону, возвращаясь в исходное положение, и тело опять вращаться как в начале. Этот цикл повторяется много раз.
Все дело в том, что раскручивая гайку, достаточно сложно придать ей строго осевое вращение. Обязательно будет минимальный импульс, сообщенный телу, направленный относительно другой оси. Со временем этот импульс накапливается и перевешивает осевое вращение гайки. Происходит кувырок. Ну, а пока импульс минимальный, вращение будет происходить вокруг одной оси.
но данный эффект можно промоделировать с помощью компьютера. По этой ссылке ( 415.3 килобайт):
http://live.cnews.ru/forum/index.php?act=Attach&type=post&id=49611
можно скачать такую программу.
Нужна регистрация!
""!В земных условиях проверить эффект Джанибекова достаточно сложно (но возможно!), из-за наличия силы тяжести,""
Вот именно, возможно! И тяжесть совсем не препятствие!
Для запуска достаточно ее распаковать и запустить файл «Djanibek.exe» и нажать кнопку «Start». После чего гайку можно вращать кнопками мыши и роликом. Кроме того, программа предусматривает просмотр эффекта в стерео режиме.
Имеется возможность установки соответствующих параметров, но при первом запуске лучше пропустить этот этап. В качестве начальных условий можно задать три момента инерции (Iteration moments) тела или размеры условного параллелепипеда который будем вращать (Cube sides) и плотность его материала (density).
Так, если поставить стороны куба (Cube sides) в 10, 10, 1, то характер вращения изменится. Гайка уже не будет резко переворачиваться, а её ось вращения будет периодически плавно переходить из зелёной в красную, и из красной в зелёную, при этом синяя ось будет двигаться строго по кругу, в чём легко убедиться, включив в программе опцию (Lines).
В общем, я советую всем поэкспериментировать с данной программой, которая легко ставится и работает, как под XP, так и под Vista, и тогда эффект Джанибекова станет гораздо более понятен и нагляден. Она хороша, как учебное пособие для школьников. С автором столь замечательной программы можно связаться по электронному адресу
traintospace@gmail.com.
Хороша то, хороша, но "суха теория мой друг!", тем более, что авторов и на сайте не добиться!
Как видим, никаких нарушений законов механики в эффекте Джанибекова нет и в помине. Подобное поведение объектов легко моделируется по формулам Эйлера восемнадцатого века, что наглядно продемонстрировал автор программы. Странно другое — за триста лет существования этих формул никто до Владимира Александровича Джанибекова его не обнаружил.
Впрочем есть целый ряд известных с древности игрушек, принцип работы которых весьма похож на эффект Джанибекова. Рассмотрим некоторые из них.
Китайский волчок или волчок Томсона.
Китайский волчок это достаточно любопытная игрушка, по форме, напоминающая усеченный шар, по центру среза которого расположена ось. Если этот волчок сильно раскрутить, установив его на ровной поверхности, то можно наблюдать эффект, казалось бы, нарушающий законы физики. Ускоряясь, волчок, вопреки всем ожиданиям, опрокидывается набок и продолжает переворачиваться дальше, пока не встанет на ось, на которой будет затем продолжать вращаться.
Происходит это в результате того, что он имеет необычную форму, создающую неравномерное распределение массы по телу волчка, т.е мы опять имеем дело с телом, имеющим разные моменты инерции, относительно различных осей, которое приводит к совершенно к иному характеру вращения, чем у обычного волчка.
Исследованиями китайского волчка в свое время занимались Кельвин, Бор, Паули и многие другие ученые. Его физика достаточно сложна и в настоящий момент изучена лишь частично.
Кельтский камень это волчок, который во время вращения в одну сторону ведёт себя как обычный волчок, при раскручивании в обратную сначала уменьшает скорость своего вращения и увеличивает колебания, а потом и вовсе начинает вращаться в обратную сторону. Столь странное название волчка связано с тем, что в некоторых кельтских гробницах 1 века до н.э. находили тесала (орудия труда), обладающие такими же свойствами.
.
По форме кельтский камень представляет собой эллипсоид, верхняя поверхность которого срезана под углом, что приводит к смещению центра масс относительно его осей вращения. Другим вариантом смещения центра может быть добавление дополнительной смещенной массы. При определенных параметрах кельтского камня он может приобретать еще более интересное свойство — при его раскручивании в любую сторону, он сначала вращается, потом останавливается, сильно раскачиваясь, после чего закручивается в обратную сторону, опять останавливается и снова меняет направление вращения на исходное.
Всеобъемлющей теории, объясняющей характер движения кельтского камня на данный момент также нет, но для нас главное, что и в этом случае его кувырки связаны с тем, что он имеет различные моменты инерции плюс смещение центра масс относительно различных осей его вращения.
Дополнительная информация: Волчок Томсона
Обычный волчок после раскручивания (в любую сторону) обладает следующими тремя свойствами:
- направление вращения постоянно
- в процессе вращения точка на волчке, касающаяся плоскости, не изменяется
- расстояние от центра тяжести до плоскости в процессе остается тем же, либо уменьшается
На первый взгляд кажется, что эти три свойства должны наблюдаться у любого волчка (не содержащего внутри источника энергии). Однако, необычная форма и неравномерное распределение массы по телу волчка может привести к иному характеру вращения — на первый взгляд, противоречащему законам сохранения: через некоторое время после начала вращения волчок переворачивается и начинает вращаться, касаясь плоскости другой своей точкой; направление вращения изменяется на противоположное, а центр тяжести поднимается. Такие волчки называют китайский волчок или волчок Томсона.
Особо интересно то, что физика китайского волчка чрезвычайно сложна и в настоящий момент изучена частично лишь для нескольких узких классов волчков!
|
Озарение.