扳手為什么會調頭？

○席金合

神舟十四號航天員陳冬曾在“天宮”空間站里，向全國廣大觀眾演示了一個扳手自動調頭的實驗，讓大家看得目瞪口呆。對于這種奇怪現象，物理知識有限的朋友們，感到實在不可思議！

陳冬拿起一個T 字形扳手，先讓它以柄桿中心線為軸旋轉，此時扳手基本保持左右旋轉，不會調頭。可是，當他讓扳手以與T 字橫線平行的直線為軸旋轉，也就是上下翻轉時，扳手竟然邊轉邊調頭，準確地說是左右翻身了：標有紅色的端頭，一會兒在左邊，一會兒又跑到右邊，來回變換。為什么會這樣呢？

對此，陳冬沒有過多解釋，只是簡單地介紹說，與扳手質量在空間的分布有關。

蝶形螺母自由旋轉時會變換方向

實際上，這種奇怪的現象早在1985 年就已被蘇聯宇航員弗拉基米爾·賈尼別科夫發現了。當時，他正在維修部件，意外發現一個蝶形螺母在掉落過程中，居然會自動變換方向旋轉。他覺得很不正常，于是用T 字形扳手等工具進行試驗，重復了好幾次，都會出現這種情況。精通物理學的賈尼別科夫對此驚奇不已，擔心是飛船所在太空環境的引力場出現了異常變化。他當即報告地面站。

蘇聯宇航局的專家們得知后，大吃一驚。因為一個物體沿著軸線旋轉時，如果不受外力作用，旋轉方向不會發生改變，地球就是這樣繞地軸穩定旋轉的。他們思來想去，產生了情況不妙的推測：地球自轉過程中是否會發生南北兩極顛倒呢？果真這樣，人類豈不迎來了“世界末日”。

當時，眾多科學家都未能弄清其中的奧秘，為了避免引起不必要的社會恐慌，便將這種怪象作為一個秘密保守了10 年。這一現象后來被稱為“賈尼別科夫效應”。

只怪當時的信息傳播技術不夠發達，其實，早在1834 年，這種現象就被法國數學家路易斯·龐索記錄在案。在地面做物體旋轉實驗時，同樣會出現這種情況，只是受重力影響，旋轉體早早就落了下來，不易被人發現而已。

“賈尼別科夫效應”包含的科學原理究竟是什么呢？要弄清這個問題，必須先明白一個動力學概念——轉動慣量。簡單地說，轉動慣量就是堅硬的物體（剛體）從靜止到轉動或從轉動到靜止的難易程度。剛體轉動慣量大，則難以轉起來或停下來；轉動慣量小，則容易轉起來或停下來。轉動慣量的大小，與剛體的質量和分布及轉軸位置有關。

用轉動慣量來描述“賈尼別科夫效應”就是：剛體繞穿過質心的最大或最小轉動慣量對應的軸自由旋轉時是穩定的，而繞穿過質心的其他軸（轉動慣量位于最大最小之間）自由旋轉時是不穩定的。

至于為什么會這樣，涉及復雜的方程式計算，在此不再詳解。

回到陳冬所做的實驗。

T 字形扳手分別繞x、y、z軸旋轉時，轉動慣量各不同。當它繞x軸前后旋轉時，轉動慣量最小，最容易轉起來；當它繞y軸上下旋轉時，轉動慣量適中，較容易轉起來；當它繞z軸左右旋轉時，轉動慣量最大，最不容易轉起來。

當扳手繞x軸旋轉時，整個轉動過程穩定，扳手沒有自行調頭（陳冬已演示）。這種情況類似于陀螺在平坦的地面上旋轉。

當扳手繞z軸旋轉時（陳冬沒有演示這一情況），扳手仍然可以穩定轉動，不會自行翻轉。

而當扳手繞y軸旋轉時，與上述兩種情況不一樣，扳手旋轉的同時還會進行左右翻轉。因為，這時的轉動慣量在最大和最小之間。

1991 年，一個研究團隊發表了一篇名為《扭轉的網球拍》的論文，解釋了網球拍繞不同的軸轉動時穩定或發生翻轉的現象，與“賈尼別科夫效應”異曲同工。因此這個原理又被稱為“網球拍定理”。

值得一提的是，蘇聯科學家曾擔心的地球兩極顛倒的情況不可能發生。因為：地球是一個兩極稍扁、赤道略鼓的橢球體，赤道半徑比極半徑長約22 千米，地球自轉的軸就是它的最大轉動慣量軸，這確保了地球自轉的相對穩定。而且，地球并不能被視為剛體，它的表面有大量海水，內部也有大量液體，這些都讓地球自轉更穩定。此外，月球對地球的潮汐引力也幫助地球自轉更穩定。

“賈尼別科夫效應”在實際生活和有關領域中有很大應用價值。如重要的飛行器（如飛機、人造衛星等）或某些關鍵設備部件，如需穩定旋轉，就要選擇合適的軸，并且根據上述原理，避免翻轉失控情況發生，提高飛行或設備運行的安全性。