Содержание
как в СССР засекретили открытие, сделанное 200 лет назад
Объяснение необычному поведению предметов в условиях невесомости было сделано еще в 18 веке, и с тех пор входит во все учебники механики, однако советские ученые об этом не знали…
Сетевой аналитик Андрей Шипилов поделился в своем блоге забавной историей времен СССР:
«Сейчас беседовал с одним человеком из российской науки, который вдруг начал меня убеждать, что вот сейчас в путинской России с наукой – полный швах, а вот в СССР!
А вот СССР, дескать, советское государство смогло организовать науку таким образом, что советская наука была лучшей в мире, а научные ресурсы использовались максимально эффективным способом. И пошло, и поехало! Бу-бу-бу… бу-бу-бу!
Мне удалось прервать это восторженное бу-бу-бу одной фразой: «А расскажи-ка мне об Эффекте Джанибекова», и всё! Бу-бу-бу быстро сошло на нет.
А я подумал, что широкой публике тоже было бы любопытно знать эту историю и вспоминать ее, когда речь заходит о «блестящей организации советской науки».
История такая. В 1985 году космонавт Джанибеков, будучи на орбите в невесомости, отворачивал гайку-барашек с какого-то девайса и слишком сильно крутанул ее. Гайка слетела со шпильки и отправилась плавать по кабине корабля быстро вращаясь вокруг своей оси, как пропеллер.
Ну, обычное дело в невесомости.
А потом случилось невероятное. Гайка вдруг как бы «вывернулась наизнанку», мгновенно поменяв вращение с «по часовой стрелки» на «против часовой стрелки» и сменив «нос» на «корму». Пролетев некоторое время в таком виде, мгновенно вернулась в прежнее состояние. Потом все повторилось.
Джанибеков доложил о странном поведении гайки начальству и те, поняв, что столкнулись с новым физическим явлением, возникающем в результате действия еще не изученных физических сил, засекретило вновь открытый «Эффект Джанибекова», и этот гриф «секретно» был снят лишь через десять лет, когда наконец эффект получил научное объяснение…
Ну хотя, как это сказать… получил объяснение. Объяснение этого эффекта было опубликовано за двести лет до открытия Джанибекова.
Оно называется «Теорема промежуточной оси» и изучается в базовом курсе механики во всех высших учебных заведениях.
И ладно бы речь шла о каком-то периферийном или редко используемом разделе механики.
«Теорема промежуточной оси» занимает самое что ни на есть центральное место в расчетах космических полетов и задействуется в ходе этих расчетов на всех этапах космического полета, начиная от того, как распределить центр масс будущего космического корабля и кончая расчетом расположения антенн и солнечных батарей.
Потому что любой конструктор летающих аппаратов знает, что если этого не сделать, то космический корабль начнет вести себя в космосе точь-в-точь, как гайка Джанибекова.
Такое уже случилось с одним американским спутником еще в начале 60-х, который превратился на орбите в «гайку Джанибекова», и с тех пор все космические аппараты тщательно рассчитываются на правильный баланс осей.
Однако это не помешало советскому научному руководству наложить гриф «секретно» на «открытие» Джанибекова и изучать его целых десять лет.
Кто-то скажет, «Наваждение нашло», а я скажу, «Специфика организации науки в условиях политической диктатуры». И неважно, чья это диктатура, компартии или Путина…»
Материалы по теме:
Ученые: открытие одной обитаемой планеты будет означать, что таких десятки тысяч
Нобелевскую премию получили медики за открытие вируса гепатита С
Недавно открытая комета Леонарда приближается к Земле
КосмосНаукаОткрытияИсторияСССР
Нашли опечатку в тексте? Выделите её и нажмите ctrl+enter
Эффект Джанибекова объяснение простыми словами
Содержание статьи:
- 1 Краткая информационная справка
- 2 Из истории открытия
- 3 Так будет ли кульбит Земли?
- 4 Иное мнение
Чем больше человечество пытается узнать о себе и планете, на которой живёт, тем больше осознаёт ничтожность своих знаний. И в подтверждение этого учёные умы периодически открывают нечто новое, порой кардинально переворачивающее все представления о мире и его устройстве.
Эффект Джанибекова в своё время стал настоящим открытием, которое легло затем в основу уже математически обоснованной теории. Мы расскажем, что это такое, и дадим объяснение данному интересному явлению.
Краткая информационная справка
Эффекту Джанибекова объяснение простыми словами дать довольно проблематично, так как он требует знаний хотя бы в области классической механики. Но если не вдаваться в подробности, то ему можно дать следующее определение – предмет, который имеет три оси инерции, покажет неустойчивое вращение относительно второй оси инерции. И это правило верно для всех тел, попадающих под данную категорию.
Говоря простыми словами, предмет с заданным вращением будет показывать устойчивость относительно двух главных осей. Причём важно понимать, что обе оси имеют наименьшую и наибольшую инерцию. А вот к третьей оси с промежуточной инерцией вращение будет неустойчивым.
Позже, подведя под открытый эффект, чёткое обоснование, его стали называть теорией промежуточной оси или теорией теннисной ракетки.
Последнее название возникло из-за того, что нередко в процессе экспериментов в качестве тела, которому задавалось вращение, использовалась ракетка для занятий теннисом.
Интересно! После открытия эффекта Джанибекова СССР засекретил его на целых 10 лет. В этот период учёные пытались понять, каким образом он реализуется на космических телах. К тому же он разрушал целый ряд общепризнанных научных теорий, которые теперь приходилось подвергать сомнениям и заново проверять на истинность.
Из истории открытия
Эффект был назван в честь своего первооткрывателя – советского космонавта Владимира Джанибекова. Причём, как и многое другое в нашем мире, он был обнаружен совершенно случайно. В 80-х годах прошлого века команда космонавтов, находясь в космосе, разгружала доставленные на орбиту ящики с оборудованием и другими необходимыми вещами.
Они делали это привычным образом – раскручивали гайки, которые фиксировали упаковку. В невесомости это делать гораздо проще, чем на Земле, – достаточно слегка крутануть «барашек», как он раскручивается сам собой, слетая со шпильки и кружась потом вокруг космонавтов.
Джанибеков немного отвлёкся на летающую по кабине гайку и заметил одну странность. Отделившись от ящика, она летела одной стороной определённый временной интервал, а затем переворачивалась и продолжала лететь другой стороной и так несколько раз. Космонавт проделал опыт несколько раз и всегда получал один и тот же результат – через равные промежутки времени гайка совершала кульбит без какой-либо видимой причины для этого.
Джанибеков был озадачен и решил продолжить эксперимент. Он задавал вращение разным телам и всегда они переворачивались таким же образом, что и гайка. Свои наблюдения космонавт записывал и после возвращения из полёта доложил о них вышестоящему руководству.
Открытие сразу же наделало много шума и ещё до обретения под собой научных доказательств стало называться эффектом Джанибекова.
О нём спорили, его обсуждали и пытались даже отвергать. И это было вполне понятно – ведь наша планета также является вращающимся телом, двигающимся на просторах Вселенной, а значит, согласно новой теории, может перевернуться, что грозит гибелью всему человечеству. Не напугать учёных данное предположение не могло!
Так будет ли кульбит Земли?
Многие специалисты строили по-настоящему апокалипсические прогнозы будущего нашей планеты. Некоторые даже высчитывали конкретные временные интервалы, в которые совершается переворот, и утверждали, что такое уже случалось, приведя к гибели древних цивилизаций и мамонтов. Так стоит ли ждать катастрофы? И так ли она неизбежна?
Учёные до сих пор не пришли к единому мнению относительно этого вопроса. Хотя большая часть специалистов в разных областях утверждает, что Земля не может сделать переворот, которого многие так опасаются. В качестве аргументов они приводят тот факт, что центр тяжести предметов, принимавших участие в экспериментах, смещена.
Этого нельзя сказать про нашу планету – она довольно уравновешена, несмотря на не совсем ровную форму. К тому же величины моментов инерции и колебания оси вращения настолько устойчивы, что не позволяют Земле хаотично двигаться в пространстве. А значит тот самый предполагаемый переворот, грозящий человечеству гибелью, не может быть совершён в принципе.
Иное мнение
Но далеко не все представители научного мира думают таким образом. Многих смущает тот факт, что Джанибекову разрешили рассказать мировому сообществу о своём открытии только спустя 10 лет. При этом вся та база, которая была наработана советскими учёными по данной теме, так и осталась под семью замками. За пределы РФ она не вышла и до сих пор никто не знает, чем грозит теория теннисной ракетки человечеству.
Многие приводят весомые доказательства в пользу катастрофы, опираясь на сдвиги магнитных полюсов.
А некоторые даже смогли доказать, что в ближайшем будущем запад и восток поменяются местами.
Но так ли это на самом деле? Пока дать ответ со 100% доказательной базой не удалось никому.
Поделитесь статьёй в социальных сетях:
Кувыркающаяся Т-образная ручка в космосе: эффект Джанибекова
Видео на рис. 1 кувыркающейся Т-образной ручки на Международной космической станции является прекрасной иллюстрацией неустойчивости вращения асимметричного объекта вокруг промежуточной главной оси. Эта неустойчивость также известна как эффект Джанибекова в честь советского космонавта Владимира Джанибекова, обнаружившего этот эффект на космической станции МИР в 1985 году. баланс углового момента.
Содержание
- 1 Уравнения движения
- 2 Моделирование и анимация
- 3 Загрузки
Уравнения движения
Предположим, мы параметризуем вращение Т-образной рукоятки набором 3-1-3 углов Эйлера: , а также . Как показано на рисунке 2, эта последовательность вращений связывает фиксированное в пространстве основание с подвижным основанием, связанным с главными осями Т-образной рукоятки, при этом промежуточная ось совмещена с продольной осью объекта.
Рисунок 2. Схема Т-образной рукоятки, иллюстрирующая выравнивание коротационной основы.
Момент количества движения Т-образной рукоятки относительно ее центра масс определяется выражением , где – главные моменты инерции (различные для асимметричного тела) и – коротационные составляющие угловой скорости: . Если пренебречь малым результирующим моментом, действующим на Т-образную рукоятку из-за центрального силового поля при движении по орбите вокруг Земли, баланс углового момента по отношению к центру масс дает , что приводит к уравнениям движения
(1)
Для набора углов Эйлера 3-1-3 связаны с углами Эйлера , , и скоростью их изменения следующим образом:
(2)
Наборы (1) и (2 ) представляют собой систему дифференциальных уравнений первого порядка, которые определяют ориентацию Т-образной ручки во времени.
Эти уравнения могут быть удобно выражены в форме для численного интегрирования в MATLAB, где мы берем вектор состояния:
(3)
Моделирование и анимация
Чтобы продемонстрировать неустойчивость вращения вокруг промежуточной главной оси, предположим, что Т-образная рукоятка первоначально вращается вокруг этой оси со скоростью с небольшими возмущениями начальной угловой скорости вокруг двух других главных осей: . Для удобства пусть начальная ориентация Т-образной ручки определена как , рад (чтобы избежать сингулярности в наборе 3-1-3 углов Эйлера) и . Результирующее движение Т-образной рукоятки, очень похожее на поведение, наблюдаемое на рис. 1, анимировано на рис. 3 для конкретного выбора физических параметров и параметров моделирования. Можно также показать, что моделируемое движение сохраняет как энергию, так и угловой момент: энергия и .
Рис. 3. Анимация имитации кувыркания Т-образной рукоятки в пространстве, демонстрирующая нестабильность вращения вокруг промежуточной главной оси.
Загрузки
Анимация на рис. 3 была сгенерирована с использованием следующего кода MATLAB:
| ** Сначала запустите этот код, чтобы получить символьные уравнения движения, вызываемые основным сценарием. (Требуется Symbolic Math Toolbox.) Этот код необходимо запустить только один раз перед первым использованием основного сценария. |
Динамика вращающейся космической станции
Динамика вращающейся космической станции
Ларри Боган,
, ноябрь 1998 г.
Сила Кориолиса не является реальной силой в том смысле, что она является результатом любого действия другого тела или поля. Это результат, описывающий движение во вращающейся системе отсчета. Наиболее распространенной вращающейся системой отсчета является широта и долгота Земли. Земля вращается относительно медленно, и эффект Кориолиса не наблюдается, за исключением глобальных движений, таких как циркуляция океана. | вопреки популярной литературе. Очень тщательные и специально разработанные эксперименты показали ускорение Кориолиса в человеческом масштабе, но это очень, очень маленький эффект, который легко скрыть. небольшие наклоны и вибрации. Астронавт, размещенный на вращающейся космической станции, легко увидит эффекты пребывания во вращающейся |
Не наблюдается в направлении вращения водыЗачем вращать космическую станцию?
Две фиктивные силы возникают во вращающейся системе. Более знакомым из них является «центробежная сила» . Каждый, кто крутил вокруг себя какой-либо тяжелый предмет, чувствовал
центробежная сила. Эту «силу» можно использовать для имитации гравитации в космосе, где нет твердой поверхности, на которую можно было бы опереться.
позволяют нам чувствовать силы гравитации.
Центробежная сила направлена перпендикулярно оси вращения и радиально наружу. Его
величина равна квадрату угловой скорости, умноженной на расстояние от оси вращения. Как
В результате астронавты на космической станции могут ходить внутри космической станции, как если бы
искусственная гравитация тянет их наружу от центра тороидальной (в форме пончика) станции.
Для космической станции радиусом 15 метров (50 футов) станция должна совершить один оборот
примерно каждые 8 секунд для того, чтобы астронавты почувствовали 1 g гравитационного ускорения
(т.е. его/ее вес будет таким же, как на Земле).
Демонстрация кориолисова ускорения на вращающейся космической станции
Один очень простой эксперимент, который быстро иллюстрирует существование силы Кориолиса, — это подбрасывание объекта «вертикально» вверх «потолок». На Земле мяч упадет обратно по траектории вверх и снова окажется у вас в руке.
На космической станции этого не произойдет.
Сила Кориолиса всегда перпендикулярна направлению движения (скорости)
шар и ось вращения станции. Для шара, летящего к центру станции, сила Кориолиса будет направлена в сторону движения обода космической станции.
Его величина равна удвоенному произведению скорости шаров и угловой скорости космической станции.
Когда мяч достигнет максимальной высоты (относительно космонавта), его скорость будет равна нулю в направлении
центра, но ускорение Кориолиса придаст мячу горизонтальную скорость, что приведет к кориолисовому
ускорение от центра. Это заставляет мяч быстрее «падать» от центра. Когда он падает,
ускорение Кориолиса больше назад к тому, откуда оно пришло. В результате мяч движется почти по кругу.
дорожка. Поскольку мяч «падает» в условиях искусственной гравитации из-за центробежной силы, его скорость будет от центра космической станции, а сила Кориолиса будет направлена в противоположную сторону. Можно было бы ожидать, что горизонтальное движение на пути вверх будет равно и противоположно движению на пути вниз, и мяч окажется в руке космонавта.
Это не относится к делу.
Математическое моделирование
Я вычислил путь мяча, подброшенного вверх во вращающейся станции. Условия:
Расстояние от центра в начале: 25 м
Центробежное ускорение на 25 м: 9,8 м/с 2
Высота подбрасывания: 1,5 м
Результат показан на диаграмме справа. Желтый шар показывает траекторию «нормального» броска на Земле. Белый шар показывает путь мяча на космической станции. Позиции мяча отображаются каждую 1/10 секунды.
Вот некоторые из рассчитанных значений:
Угловая скорость космической станции: 0,626 радиан/с
Линейная скорость станции на высоте 25 м: 15,65 м/с
Скорость мяча при высвобождении: 5,68 м/с
Время полет на максимальную высоту: 0,512 секунды
Реальное время полета показано на анимации ниже.
Для запуска анимации перезагрузите страницу (из меню или ctrl-r)
Ниже перечислены графики, показывающие величины различных величин.
На этих графиках величины разделены на горизонтальную и вертикальную составляющие с точки зрения бросающего мяч.
- Смещение
- Скорости
Примечание: x-скорость увеличивается и уменьшается — это связано с существованием кориолисова ускорения. Мяч, брошенный вертикально на Землю, все время будет иметь скорость x = 0. Y-скорость очень похожа на скорость обычного броска мяча. - Ускорения
Обратите внимание, что ускорение по оси x не совсем кориолисово ускорение, потому что оно происходит не только в горизонтальном направлении. Y-ускорение непостоянно по двум причинам (1) центробежное ускорение зависит от расстояния от центра вращения и (2) ускорение Кориолиса имеет составляющую в этом направлении. Ускорение по оси X, которое является полным из-за кориолисова ускорения, показывает, как оно меняет знак, когда мяч достигает максимальной высоты на полпути полета.
На диаграмме справа показаны направления и относительные величины центробежного и кориолисова ускорения во время полета мяча.
Настоящий путь мяча и руки
Самый простой способ увидеть, что на самом деле происходит во время полета шара, — наблюдать за всем происходящим снаружи вращающейся космической станции. С этой невращающейся точки зрения мяч движется по прямой траектории, а рука, бросившая мяч, следует по кривой вращения. Это показано на диаграмме справа. Мяч движется по более короткому пути и с большей скоростью, поэтому он достигнет радиуса 25 м до того, как туда доберется рука. Бросающему кажется, что мяч сдвинулся в сторону из-за «странной» силы Кориолиса.
Вес космонавтов, зависящий от скорости
Как мы видели при подбрасывании мяча, в верхней части траектории, когда скорость мяча была горизонтальной, ускорение Кориолиса было направлено вниз (или наружу относительно вращающейся космической станции). Если космонавт будет бежать в направлении вращения космической станции, он почувствует это ускорение как дополнительную силу на полу, т. |
