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贾尼别科夫效应的运用

贾尼别科夫效应的运用

更新时间:2023-06-27 17:41:38

贾尼别科夫效应的运用

        贾尼别科夫定理是一个刚体绕着它转动惯量最大的主轴(第一主轴),或转动惯量最小的主轴(第三主轴)旋转时是稳定的,而绕着中间轴(第二主轴)旋转时则是不稳定的,这就是贾尼别科夫定理。该效应最初是在1985年由俄罗斯宇航员弗拉基米尔·贾尼别科夫(Vladimir Dzhanibekov)在空间站中偶然发现的,因此也其被称作贾尼别科夫效应(Dzhanibekov effect)。

         网球拍定理可以借助欧拉方程(Euler's equations)来定性分析。在不受外加转矩的作用下,物体在转动时遵循以下规律:

I1·dω1/dt= (I2-I3)ω2ω3(1)

I2·dω2/dt= (I3-I1)ω3ω1(2)

I3·dω3/dt= (I1-I2)ω1ω2(3)

         其中I1,I2,I3为物体主轴方向上的转动惯量,假定I1>I2>I3。物体主轴方向上的角速度分量为别为ω1,ω2,ω3,它们对时间的导数,即角加速度分别为dω1/dt,dω2/dt,dω3/dt。

        我们首先考虑物体绕其第一主轴I1旋转的情况。自然条件(非理想条件)下,物体的旋转轴不可能完全与第一主轴平行,因此我们假定在另外两个主轴上有微小的角速度分量。由公式(1)可知,dω1/dt小到可以忽略。再对公式(2)两边求导,求出dω3/dt来替换公式(3)中的dω3/dt,整理可得:

I2I3·dω2/(dt)= (I3-I1)(I1-I2)(ω1)ω2

dω2/(dt)= (负值)×ω2

         我们注意到的变化ω2符合简谐运动(ω3同理)。因此,物体绕第一主轴旋转时是稳定的。同理,物体绕第三主轴旋转也可以得出相同的公式,即物体绕第三主轴旋转时也是稳定的。

        但是当物体绕第二主轴旋转时情况就不一样了。这一次是dω2/dt小到可以忽略。同样的,我们用公式(1)求出dω3/dt来替换公式(3)中的dω3/dt,整理可得:

I1I3·dω1/(dt)= (I2-I3)(I1-I2)(ω2)ω1

dω1/(dt)= (正值)×ω1

这次我们注意到ω1是在增加的(ω3同理),这就说明物体绕第二主轴旋转时是不稳定的。所以只要物体的旋转轴与第二主轴稍有偏差,物体就会在旋转时发生快速翻转的现象。

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