太空科学课（十八）——会调头的扳手

文/太空熊猫君 图 / 赵赵

上一期，我们一起学习了神舟十四号航天员展示的水球变“懒”和太空趣味饮水两个实验，接下来航天员又为我们展示了什么实验呢？一起来看看吧！

随着直播镜头的切换，陈冬来到了我们的面前，并且拿出了两个T 字扳手。T 字扳手长杆的末端是一个金属套筒，可以套在螺丝或者螺母上进行旋转操作，套筒的另一端则是一个和长杆垂直的手柄，与长杆构成了一个T 字形的结构。陈冬将两个扳手分别旋转起来，神奇的现象出现了！

我们之前看到过太空中陀螺的旋转，在没有外力的作用下，陀螺会围绕着一个方向固定的轴进行旋转。可是当T 字扳手旋转起来之后，我们清楚地看到扳手每旋转几周之后，就会发生一次大反转，整个旋转轴会发生颠倒！

为什么会出现这个现象？这背后还有一段人类航天史上的秘密。1985年2 月，在轨运行的苏联空间站礼炮七号发生了故障——无线电发射机关闭了。当时礼炮七号上没有航天员常驻，所以故障也没办法直接处理。地面的指挥中心尝试重启设备，结果不但无线电发射机没有恢复正常，无线电接收机也无法工作了。这意味着礼炮七号完全和地面失去了联系，只能安排航天员上去维修。1985 年6 月，两名苏联航天员弗拉基米尔•贾尼别科夫和维克多•萨维内赫乘坐联盟T-13 飞船进入了空间站，并且修复了故障。就在这次修理任务中，贾尼别科夫发现一个神奇的现象：高速旋转的蝶形螺母转着转着，会突然调头，这个颠倒过来的自转轴，过了一会儿又会颠倒回去，而且只要螺母在旋转，这个颠倒翻转就会一直发生。这个现象也因此得名贾尼别科夫效应。

这和陈冬为我们展示的T 字扳手翻转现象是同一种现象，但是这段故事并没有就此结束。在贾尼别科夫向苏联科学家报告了这个现象之后，科学家们感到非常震惊。他们想，如果旋转的物体都会发生周期性翻转，那我们的地球是不是也会忽然翻转呢？如果地球发生了翻转，不仅我们赖以生存的地磁场强度和大气层臭氧含量会降低，还会引发大规模的海啸和超级地震，这对人类乃至地球上所有的物种都是毁灭性的打击！简而言之，他们认为贾尼别科夫效应预示了地球末日的到来！为了避免引起公众恐慌，科学家们选择了对贾尼别科夫效应的发现进行保密。

1991 年，科学期刊《动力学与微分方程》上发表了一篇名为《扭转的网球拍》的论文。作者通过一个例子为我们揭开了贾尼别科夫效应的秘密。事实上，贾尼别科夫效应不仅会在太空中出现，我们在地面上也很容易复现这个现象。

握住一个网球拍，我们有几种方式让它在空中旋转起来呢？如果你尝试几次就会发现，球拍的旋转方式有三种：第一种是让球拍水平放置，我们也在水平方向上旋转手腕，让球拍沿着手柄的方向旋转；第二种是让球拍拍面水平，我们用力向上抛起球拍，球拍也会在空中翻转；第三种则是让球拍拍面竖直，我们同样向上抛起球拍。这三种方式其实对应了一个三维物体发生旋转时候的三个轴。事实上，除了质地均匀的球体或者圆盘，任何一个三维物体的旋转运动都会有三个轴。这三种运动看似只是旋转所围绕的轴不同，其实在物理学的视角下它们内藏玄机。

我们之前讲过，任何一个物体都具有惯性，它可以让物体保持原来的运动状态。而旋转起来的物体也会具有保持旋转运动的惯性，科学家们把它叫作转动惯量。当网球拍以不同的方式旋转起来之后，它所具有的转动惯量也不同。科学家研究发现，当球拍旋转产生的转动惯量处于最小或者最大的状态时，它的旋转是稳定的，而三种旋转方式中转动惯量处于中间大小的那个状态，却是非常不稳定的，这种不稳定就会导致整个旋转轴的翻转。

前面介绍的三种网球拍旋转方式中，第一种是转动惯量最小的状态、第三种是转动惯量最大的状态，它们的旋转轴方向都是稳定的；而第二种旋转方式则是转动惯量大小居中的状态，所以被抛出的网球拍会在空中发生翻转。而这，和贾尼别科夫在太空站发现的现象是完全相同的原理。所以贾尼别科夫效应也被称为网球拍效应。

你也可以在家里验证一下贾尼别科夫效应，拿一个轻便且不会摔坏的立方体物品，例如一包纸巾或是一个乒乓球拍，尝试沿着不同的轴向让它在空中旋转起来，观察它是否会发生翻转。温馨提示，如果你觉得此现象不容易观察，可以让爸爸妈妈帮忙录像，再通过慢速播放来观察。

贾尼别科夫效应的原理得到了解释，那苏联科学家们的担心是否合理、地球是否会发生翻转呢？结论是他们确实是多虑了。地球作为一个球体，本身就不会有三种旋转方式，而且地球内部存在大量的液态岩浆，这使得地球只能采取转动惯量最大的方式旋转，所以地球的自转方向是非常稳定的，大家别担心，地球的旋转轴根本不可能发生翻转！