太空科學課（十八）
——會調頭的扳手

文/太空熊貓君 圖 / 趙趙

上一期，我們一起學習了神舟十四號航天員展示的水球變“懶”和太空趣味飲水兩個實驗，接下來航天員又為我們展示了什么實驗呢？一起來看看吧！

隨著直播鏡頭的切換，陳冬來到了我們的面前，并且拿出了兩個T 字扳手。T 字扳手長桿的末端是一個金屬套筒，可以套在螺絲或者螺母上進行旋轉操作，套筒的另一端則是一個和長桿垂直的手柄，與長桿構成了一個T 字形的結構。陳冬將兩個扳手分別旋轉起來，神奇的現象出現了！

我們之前看到過太空中陀螺的旋轉，在沒有外力的作用下，陀螺會圍繞著一個方向固定的軸進行旋轉。可是當T 字扳手旋轉起來之后，我們清楚地看到扳手每旋轉幾周之后，就會發生一次大反轉，整個旋轉軸會發生顛倒！

為什么會出現這個現象？這背后還有一段人類航天史上的秘密。1985年2 月，在軌運行的蘇聯空間站禮炮七號發生了故障——無線電發射機關閉了。當時禮炮七號上沒有航天員常駐，所以故障也沒辦法直接處理。地面的指揮中心嘗試重啟設備，結果不但無線電發射機沒有恢復正常，無線電接收機也無法工作了。這意味著禮炮七號完全和地面失去了聯系，只能安排航天員上去維修。1985 年6 月，兩名蘇聯航天員弗拉基米爾?賈尼別科夫和維克多?薩維內赫乘坐聯盟T-13 飛船進入了空間站，并且修復了故障。就在這次修理任務中，賈尼別科夫發現一個神奇的現象：高速旋轉的蝶形螺母轉著轉著，會突然調頭，這個顛倒過來的自轉軸，過了一會兒又會顛倒回去，而且只要螺母在旋轉，這個顛倒翻轉就會一直發生。這個現象也因此得名賈尼別科夫效應。

這和陳冬為我們展示的T 字扳手翻轉現象是同一種現象，但是這段故事并沒有就此結束。在賈尼別科夫向蘇聯科學家報告了這個現象之后，科學家們感到非常震驚。他們想，如果旋轉的物體都會發生周期性翻轉，那我們的地球是不是也會忽然翻轉呢？如果地球發生了翻轉，不僅我們賴以生存的地磁場強度和大氣層臭氧含量會降低，還會引發大規模的海嘯和超級地震，這對人類乃至地球上所有的物種都是毀滅性的打擊！簡而言之，他們認為賈尼別科夫效應預示了地球末日的到來！為了避免引起公眾恐慌，科學家們選擇了對賈尼別科夫效應的發現進行保密。

1991 年，科學期刊《動力學與微分方程》上發表了一篇名為《扭轉的網球拍》的論文。作者通過一個例子為我們揭開了賈尼別科夫效應的秘密。事實上，賈尼別科夫效應不僅會在太空中出現，我們在地面上也很容易復現這個現象。

握住一個網球拍，我們有幾種方式讓它在空中旋轉起來呢？如果你嘗試幾次就會發現，球拍的旋轉方式有三種：第一種是讓球拍水平放置，我們也在水平方向上旋轉手腕，讓球拍沿著手柄的方向旋轉；第二種是讓球拍拍面水平，我們用力向上拋起球拍，球拍也會在空中翻轉；第三種則是讓球拍拍面豎直，我們同樣向上拋起球拍。這三種方式其實對應了一個三維物體發生旋轉時候的三個軸。事實上，除了質地均勻的球體或者圓盤，任何一個三維物體的旋轉運動都會有三個軸。這三種運動看似只是旋轉所圍繞的軸不同，其實在物理學的視角下它們內藏玄機。

我們之前講過，任何一個物體都具有慣性，它可以讓物體保持原來的運動狀態。而旋轉起來的物體也會具有保持旋轉運動的慣性，科學家們把它叫作轉動慣量。當網球拍以不同的方式旋轉起來之后，它所具有的轉動慣量也不同?？茖W家研究發現，當球拍旋轉產生的轉動慣量處于最小或者最大的狀態時，它的旋轉是穩定的，而三種旋轉方式中轉動慣量處于中間大小的那個狀態，卻是非常不穩定的，這種不穩定就會導致整個旋轉軸的翻轉。

前面介紹的三種網球拍旋轉方式中，第一種是轉動慣量最小的狀態、第三種是轉動慣量最大的狀態，它們的旋轉軸方向都是穩定的；而第二種旋轉方式則是轉動慣量大小居中的狀態，所以被拋出的網球拍會在空中發生翻轉。而這，和賈尼別科夫在太空站發現的現象是完全相同的原理。所以賈尼別科夫效應也被稱為網球拍效應。

你也可以在家里驗證一下賈尼別科夫效應，拿一個輕便且不會摔壞的立方體物品，例如一包紙巾或是一個乒乓球拍，嘗試沿著不同的軸向讓它在空中旋轉起來，觀察它是否會發生翻轉。溫馨提示，如果你覺得此現象不容易觀察，可以讓爸爸媽媽幫忙錄像，再通過慢速播放來觀察。

賈尼別科夫效應的原理得到了解釋，那蘇聯科學家們的擔心是否合理、地球是否會發生翻轉呢？結論是他們確實是多慮了。地球作為一個球體，本身就不會有三種旋轉方式，而且地球內部存在大量的液態巖漿，這使得地球只能采取轉動慣量最大的方式旋轉，所以地球的自轉方向是非常穩定的，大家別擔心，地球的旋轉軸根本不可能發生翻轉！