Эффект Джанибекова

Размещено на http://www.allbest.ru/

Удельнинская гимназия №33 имени Горячева

Реферат

Эффект Джанибекова

Выполнил: ученик 11А класса

Научный руководитель:

2023 г.

Содержание

1. Обоснование выбора темы

2. Почему я выбрал эту тему?

3. Как обнаружили эффект

4. Что такое свободные оси вращения

5. Теорема промежуточной оси или теорема теннисной ракетки

6. Как объяснить эффект Джанибекова

7. Значение открытия эффекта Джанибекова

Выводы

Литература

1. Обоснование выбора темы

Увеличение собственных знаний об эффекте Джанибекова.

Цель:

Исследовать историю открытия эффекта Джанибекова, его влияния на изучение процессов, происходящих на Земле и в Космосе, его практическое применение.

Задачи:

Ознакомится с историей открытия эффекта Джанибекова

Показать значение эффекта Джанибекова

Сбор материалов об эффекте Джанибекова

Организация собранного материала по разделам.

Составление предварительного продукта.

Анализ и доработка имеющегося продукта.

Составление конечного продукта проекта.

Подготовка к защите и защита проекта.

Объект исследования: эффект Джанибекова

Предмет исследования: физические явления, открытые на основе эффекта Джанибекова и их практическое применение.

Методы исследования:

· Отбор необходимой литературы;

· Изучение подобранного материала;

· Анализ изученного материала;

· Обобщение проанализированного материала;

· Сведение подготовленного материала в единое целое.

2. Почему я выбрал эту тему ?

Я слышал историю, что после того как советский космонавт Владимир Джанибеков описал перевороты гайки-барашка, эту историю засекретили до вывода специальной комиссии, которая разбиралась больше десяти лет. Так что же в нём такого секретного? Дело в том, что Джанибеков потом облепил гайку пластелином (сделав шарик) и представил, что это планета Земля так крутится в космосе, и она однажды может взять и "стряхнуть" нас всех, поменяв полюсы. Мне стало интересно - есть ли почва для опасений?

Актуальность темы: Возможен ли “кувырок” Земли?

Эффект Джанибекова - интересное открытие нашего времени. Дважды герой Советского Союза, генерал-майор авиации Владимир Александрович Джанибеков заслуженно считается самым опытным космонавтом СССР. Он совершил наибольшее количество полетов - пять, причем все в качестве командира корабля. Владимиру Александровичу принадлежит открытие одного любопытного эффекта, названного его именем - эффекта Джанибекова, который был обнаружен им в 1985 году, во время своего пятого полета на корабле «Союз Т-13» и орбитальной станции «Салют-7» (6 июня - 26 сентября 1985 года).Эффект Джанибекова состоит в странном поведении летящего вращающегося тела в невесомости. После его открытия, как обычно, появились десятки различных объяснений эффекта Джанибекова. Было высказано предположение, что все крупнейшие планетарные катастрофы, которые происходили с нашей планетой за время ее существования с завидной периодичностью, влекли кардинальные изменения климата, гибель цивилизаций, вызывали кардинальный поворот эволюции, могли быть связаны именно с этим «эффектом Джанибекова» - кувырков Земли, сменой географических, магнитных полюсов и последствий, вызванных этими поистине апокалиптическим явлениями.

3. Как обнаружили эффект

эффект джанибекова теорема

Когда космонавты распаковывали доставленный на орбиту груз, то им приходилось откручивать так называемые «барашки» - гайки с ушками. Стоит ударить по ушку «барашка», и он сам раскручивается. Затем, раскрутившись до конца и соскочив с резьбового стержня, гайка продолжает, вращаясь, лететь по инерции в невесомости (примерно как летящий вращающийся пропеллер). Так вот, Владимир Александрович заметил, что пролетев примерно 40 сантиметров ушками вперед, гайка вдруг совершает внезапный переворот на 180 градусов, хотя никакие внешние силы на гайку не действовали, и продолжала лететь в том же направлении, но уже ушками назад и вращаясь в другую сторону. Затем, опять пролетев сантиметров 40, гайка снова делает кувырок на 180 градусов и продолжала лететь снова ушками вперед, как в первый раз и так далее. Джанибеков неоднократно повторял эксперимент, и результат неизменно повторялся. В общем, вращающаяся гайка, летящая в невесомости, совершает резкие 180-градусные периодические перевороты каждые 43 сантиметра. Также он пробовал вместо гайки использовать другие предметы, например, пластилиновый шарик с прилепленной к нему обычной гайкой, который точно так же, пролетев некоторое расстояние, совершал такие же внезапные перевороты.Обнаруженный эффект, стали внимательно изучать и выяснили, что исследуемые объекты, вращающиеся в невесомости, через строго определенные промежутки времени совершали переворот ("кувырок") на 180 градусов.

При этом, центр масс этих тел продолжал равномерное и прямолинейное движение, в полном соответствии с первым законом Ньютона. А направление вращения, "закрутка", после "кувырка" оставалась прежней (как и должно быть по закону сохранения момента импульса). Получалось, что относительно внешнего мира тело сохраняет вращение вокруг той же оси (и в том же направлении), в каком оно вращалось до кувырка, но "полюса" менялись местами! Это прекрасно видно на примере "гайки Джанибекова" (обычной барашковой гайки).

4. Что такое свободные оси вращения

Существуют такие оси вращения тел, которые не изменяют своей ориентации вращения в пространстве без действия на нее внешних сил. Эти оси называются свободными осями вращения (или осями свободного вращения). Можно показать, что в любом теле существуют три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр масс тела, которые могут служить свободными осями. Они называются главными осями инерции тела. Например, главные оси инерции однородного прямоугольного параллелепипеда проходят через центры противоположных граней . 
Для устойчивости вращения большое значение имеет, какая именно из свободных осей служит осью вращения. Вращение вокруг главных осей с наибольшим и наименьшим моментами инерции оказывается устойчивым, а вращение около оси со средним моментом - неустойчивым. Так, если тело, имеющее форму параллелепипеда, подбросить, одновременно приведя его во вращение, то оно, падая, будет устойчиво вращаться вокруг осей 1 и 3 (рис.1).

В процессе полета на него будут действовать две силы. Во-первых, сила тяжести, которая приложена к центру тяжести, он же центр масс. Поэтому она не влияет на направление и величину угловой скорости вращения этого параллелепипеда. И вторая сила - это сила аэродинамического сопротивления движению предмета в воздухе. Эта сила маленькая, но ее действие приводит к тому, что вращение тела вокруг оси, которая соответствует максимальному моменту инерции и которая соответствует минимальному моменту инерции устойчиво. А вращение вокруг оси, которой соответствует средний по величине момент инерции - неустойчиво и тело начинает «кувыркаться». В этом можно убедиться на опыте. Стабильным будет вращение тела с тремя различными осями, если найдем среднюю его ось, которая будет средней и для масс каждой отдельной части сложного геометрического изделия и для самой его геометрии. Эту ось вычисляют математически или устанавливают опытным путем. Для однородного цилиндра одной из главных осей инерции является его геометрическая ось, а в качестве остальных осей могут быть две любые взаимно перпендикулярные оси, проведенные через центр масс в плоскости, перпендикулярной геометрической оси цилиндра. Главными осями инерции шара являются любые три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр масс.

Главные оси однородного цилиндра и шара

У тела с центральной симметрией (например, у однородного шара) любые три взаимно перпендикулярные оси, проходящие через центр симметрии, являются главными. Для них I1=I2=I3.

Такие тела называются шаровыми волчками. Любая ось шарового волчка, проходящая через центр симметрии, является главной (а, значит, и свободной).

Для тел с осевой симметрией - имеем дело с симметричными волчками - i1=i2? i3

В общем случае главные моменты инерции тела различны, то есть I1?I2?I3.

Такое тело называется асимметричным волчком. Примером асимметричного волчка может служить однородный прямоугольный параллелепипед

5. Теорема промежуточной оси или теорема теннисной ракетки

Теория вращающихся тел была разработана еще в начале 19 века французским математиком Луи Пуансо. В 1834 году работа опубликована в его трактате «Новая теория вращения тел». Модель с причиной этого эффекта описывал немецкий ученый Карл Гаусс . Но экспериментально опыт проведен только в 1985 году. Теория эффекта рассматривается в физике в разделе механики учеными Ландау и Лифшиц. Теорема может быть количественно проанализирована с помощью уравнений Эйлера, описывающих динамику твердого тела и она справедлива для ассиметричных тел. Теорема утверждает неустойчивость вращения твёрдого тела относительно промежуточной главной оси инерции. Она является следствием законов классической механики, описывающих движение твёрдого тела с тремя различными главными моментами инерции. Если тело симметричное, то у него все оси одинаковые и оно вращается в невесомости или в свободном падении стабильно. При этом никакого эффекта Джанибекова не возникает. Но возьмем предмет с различными осями вращения - коробку или книгу и подбросим. Увидим, что при вращении вокруг промежуточной оси тело начинает кувыркаться, а при вращении вокруг минимальной или максимальной оси инерции тело вращается стабильно. Поэтому просто цилиндрический сосуд будет вести себя в невесомости правильно. Но если набрать в него воды, которая в момент вращения будет стремиться к стенкам, создавая вторую ось инерции, то цилиндр начнет кувыркаться. Поэтому описание такой модели называют теоремой промежуточной оси .В качестве вращения ассиметричного тела можно рассмотреть и вращение теннисной ракетки. Если теннисную ракетку подбросить в воздух, чтобы она описала ручкой одни оборот и вернулась в руку, то окажется, что она лежит в руке другой стороной, совершив поворот на 180°.

Что общего у гайки-барашка и теннисной ракетки ?

И у гайки-барашка и теннисной ракетки в двух из трёх измерений есть симметрия, а в третьем - нет. Научное сообщество договорилось называть это теоремой промежуточной оси, ее проявление в невесомости - эффектом Джанибекова, а на Земле - эффектом теннисной ракетки. Тела, у которых масса равномерно распределена подобным образом будет неминуемо переворачиваться после определённого числа оборотов.

Если мы будем раскручивать тело вокруг оси с минимальным или максимальным моментом инерции, то вращение будет устойчивым. Но если мы выберем некую промежуточную ось вращения, то вращение будет стремиться к максимальной или минимальной оси инерции. Отсюда и возникает переворот.

Ракетка может вращаться вокруг трех главных осей. Первая ось е1 проходит через центр массы вдоль ракетки. Вторая ось е2 проходит через центр масс как бы сбоку, пересекая е1 и перпендикулярно е1. Третья - перпендикулярно первым двум (е1 и е2) через лицевую сторону. Скорость вращения относительно разных осей отличается. Лучше всего ракетка вращается вокруг оси е1, потому что масса сконцентрирована ближе всего к оси вращения. Момент инерции тела для такого вращения минимальный. Вокруг третьей оси (е3) ракетка вращается довольно медленно и все из-за того что масса находится довольно далеко от самой оси, что максимально увеличивает момент инерции. Для такого вращения момент инерции максимальный. Вращение вокруг этих двух осей стабильно. Но попробуем подкидывать ракетку относительно второй оси е2, где момент инерции находится между двумя другими. Она совершила полный оборот вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной ручке, и почти во всех случаях во время этого вращения грань еще завершит половину оборота, так что другая грань теперь обращена вверх. Для устойчивости вращения большое значение имеет, какая именно из свободных осей служит осью вращения.

6. Как объяснить эффект Джанибекова

Физики и математики давно исследовали причины загадочного поведения гайки Джанибекова, и обосновали закономерность смены ею направления вращения. Представим тонкий жесткий диск нулевой массы, размещенный в системе координат ZXY. По оси ОХ добавим тонкие массы (точки). (На чертеже отмечены как 2 красных кубика). По оси ОУ добавим массы поменьше. (На чертеже 2 маленьких синих кубика). (Рис.2)

Теперь у нас для диска три разных момента инерции. При вращении относительно оси ОХ момент инерции будет минимальным. Здесь будут двигаться точки с малой массой. При вращении относительно оси ОZ момент инерции будет максимальным так как движутся все 4 точки массы, а ось ОУ получится промежуточной со средним моментом инерции. При таком движении действуют только центростремительные силы, которые тянут большие массы к центру, благодаря чему диск вращается стабильно (рис.3)

Теперь вращаемся вместе с диском. Появляется центробежная сила в инерциальной системе отсчета. В этом случае надо учесть центробежную силу, которая отталкивает массу от оси вращения пропорционально расстоянию от оси. В нашем случае это ось ОУ. Малых точек масс это не касается. Поэтому остается центробежная сила, которая действует на точки боМльшей массы и уравновешивается центростремительной силой, направленной внутрь (рис.4). Здесь все стабильно.

Первую половину пути центробежные силы ускоряют точки масс, но после переворота они начинают работать в обратном направлении, замедляя диск и он останавливается, совершив пол-оборота вокруг оси. Затем процесс многократно повторяется с одинаковой периодичностью. Вот так без математических расчетов мы объяснили теорему промежуточной оси и теорему теннисной ракетки.

Возможен ли кувырок Земли? Эффект, действительно, любопытен. После его открытия, как обычно, появились десятки различных объяснений эффекта Джанибекова. Не обошлось и без устрашающих апокалиптических прогнозов. Многие стали говорить о том, что наша планета - это по сути такой же вращающийся пластилиновый шарик или «барашек», летящий в невесомости.

И что Земля периодически совершает подобные кульбиты. Кто-то даже назвал период времени: переворот земной оси происходит раз в 12 тысяч лет. И что, мол, последний раз планета совершила кувырок в эпоху мамонтов и скоро намечается очередной такой переворот - может завтра, а может через несколько лет - в результате которого на Земле произойдет смена полюсов и начнутся катаклизмы. Утверждения различных ученых о смене земных полюсов бытуют уже не одно десятилетие. Но, несмотря на то, что многие из них имеют стройные теоретические доказательства, ни одну из этих гипотез нельзя проверить экспериментальным путем. Действительно, вряд ли можно на опыте убедиться в том, что виновны в планетных кувырках смещения магматических слоев. Или нельзя наглядно посмотреть, перевернется ли Земля, если мы растопим льды Антарктиды.

Грозят ли Земле подобные апокалиптические кульбиты? С уверенностью можно сказать, что нет. Во-первых, центр тяжести «барашка», как и пластилинового шарика с гайкой, значительно смещен по оси вращения, чего нельзя сказать о нашей планете, которая хоть и не является идеальным шаром, но более-менее уравновешена. А вокруг оси шара происходит устойчивое вращение. Опыт Джанибекова указывает на то, что шар тоже якобы переворачивается. Но это был не шар, а гайка, которую облепили пластилином. Если бы внутри не было гайки, то и переворота не было бы. Наша планета не похожа ни на барашек, ни на молоток с различными осями инерции. Ученые определили, что массы внутри геометрически равноосной планеты распределены равномерно. И центростремительное ускорение за долгое время вращения вокруг оси распределило массы равномерно. А как же горы и морские впадины? Массы неравномерно распределенных горных систем и глубоких впадин находятся в районе статистической погрешности расчетов. Если сравнить эту массу с массой всей планеты, то она ничтожно мала. И, во-вторых, для перевода Земли из текущего режима вращения вокруг одной оси в режим «кувырков», требуется внешнее воздействие такой силы, которое уничтожило бы не только цивилизацию, но и саму земную кору вместе со всем на ней находящимся. Эффект Джанибекова действует при вращении твёрдого тела, но стоит только твёрдое тело внутри наполнить жидкостью, как ситуация кардинально меняется. После раскрутки тела, заполненного жидкостью, в невесомости вдоль любой одной оси оно некоторое время будет продолжать вращаться вокруг неё. Однако, после того как масса жидкости рассеется по внутренним стенкам тела, оно начнёт вращаться вокруг оси с наибольшим моментом инерции независимо от того, вокруг какой оси его раскрутили изначально. То есть, тело начнёт вращаться вдоль той оси, относительно которой кинетическая энергия вращения будет минимальна, а момент инерции -- максимальный.

Так как Земля внутри жидкая и уже давно распределила жидкость в своих недрах, то её момент инерции при вращении уже является максимальным и она никогда не сможет перевернуться.

И, наконец, значение величин моментов инерции Земли и величины прецессии Земли (колебания оси вращения) позволяют ей быть устойчивой как гироскоп, а не кувыркающейся как гайка Джанибекова.

Наша планета движется по круговой орбите и ее ось вращения почти перпендикулярна плоскости орбитального движения. Возможно, это отличие от “гайки Джанибекова” (которая движется вдоль оси вращения) не даст планете перевернуться.

Прецессия -- это явление, при котором ось вращения тела изменяет свою ориентацию в пространстве. Наблюдать его очень просто -- достаточно запустить волчок. Пока он крутится быстро, ось его вращения направлена вертикально. Но как только волчок начнет замедляться, она начнет описывать конус. Это и есть прецессия. Ось планеты описывает конус, также как и волчок, что вызвано притяжением Луны и Солнца. В результате полюсы планеты медленно перемещаются по отношению к звездам с радиусом дуги в 23 градуса и 26 минут. Земная ось один оборот совершает примерно за 26 тысяч лет.

Я думаю, что причиной всех глобальных катастроф является только фактор внешнего воздействия на планету. На Земле масса следов от столкновения с небесными телами. Столкновение небесных тел с Землей вызывает массу катастрофических последствий. Самым главным поражающим фактором является процессия земной оси. Все следы прошлых земных катастроф, которые сегодня приписываются эффекту Джанибекова, являются на самом деле последствиями прецессионного движения. Изменение прецессионного движения гироскопа Земля возникает при воздействии импульса силы на ось гироскопа, т.е. падение небесного объекта в приполярной области.

7. Значение открытия эффекта Джанибекова

Какое-то время считалось, что феномен имеет лишь научный интерес. И лишь с того момента, когда удалось теоретически доказать его закономерность, открытие обрело свое практическое значение. Было доказано, что изменения оси вращения Земли являются не загадочными гипотезами археологии и геологии, а закономерными событиями в истории планеты. Изучение проблемы помогает рассчитывать оптимальные временные рамки стартов и полётов космических кораблей. Стала более понятной природа таких катаклизмов, как тайфуны, ураганы, потопы и наводнения, связанные с глобальными смещениями атмосферы и гидросферы планеты. Открытие эффекта Джанибекова послужило толчком к развитию абсолютно новой области науки, которая занимается псевдоквантовыми процессами, то есть квантовыми процессами, которые происходят в макромире. Ученые всегда говорят о каких-то непонятных скачках, если речь заходит о квантовых процессах. В обычном макромире вроде бы все происходит плавно, пусть даже иногда очень быстро, но последовательно. А в лазере или в различных цепных реакциях процессы происходят скачком. То есть до их начала все описывается одними формулами, после -- уже совсем другими, а о самом процессе -- ноль информации. Считалось, что все это присуще только микромиру.

Выводы

1. Вращение абсолютно жесткого тела устойчиво относительно осей как наибольшего так и наименьшего главного момента инерции. Пример устойчивого вращения вокруг оси наименьшего момента инерции, используемый на практике - стабилизация летящей пули. Пулю можно считать абсолютно твердым телом для получения достаточно устойчивой стабилизации в течение времени её полёта.

2. Вращение вокруг оси наибольшего момента инерции устойчиво для любого тела в течение неограниченного времени. В том числе и не абсолютно жесткого. Поэтому такая и только такая закрутка используется для полностью пассивной (при выключенной системе ориентации) стабилизации спутников со значительной нежёсткостью конструкции (развитые панели СБ, антенны, топливо в баках и т. п.).

3. Вращение вокруг оси со средним моментом инерции неустойчиво всегда. И вращение действительно будет стремиться перейти к уменьшению энергии вращения. При этом, различные точки тела начнут испытывать переменные ускорения. Если эти ускорения будут приводить к переменным деформациям (не абсолютно жесткое тело) с рассеянием энергии, то в итоге ось вращения совместиться с осью максимального момента инерции. Если же деформации не происходит и/или не происходит рассеяния энергии (идеальная упругость), то получается энергетически консервативная система. Образно говоря, тело будет кувыркаться, вечно пытаясь найти себе “комфортное” положение, но всякий раз будет его проскакивать и искать заново. Простейший пример - идеальный маятник. Нижнее положение - энергетически оптимальное. Но он никогда не остановится в нем. Таким образом, ось вращения абсолютно жесткого и/или идеально упругого тела никогда не совместится с осью максимального момента инерции, если изначально она не совпадала с ним. Тело будет вечно совершать сложные техмерные колебания, зависящие от параметров и начальных условий. Нужно ставить `вязкий' демпфер или активно гасить колебания системой управления.

4. При равенстве всех главных моментов инерции вектор угловой скорости вращения тела не будет меняться ни по величине, ни по направлению. Грубо говоря, вокруг какого направления закрутил, вокруг того направления и будет вращаться.

Гайка Джанибекова - классический пример вращения абсолютно жесткого тела, закрученного вокруг оси, не совпадающей с осью наименьшего или наибольшего момента инерции

5. Любое вращение имеет свои 4-е кардинальные точки, где в 2-х точках определяется равновесное состояние, а следующих 2-х точках определяется «сжатие» и «растяжение». Полный круг прецессионного вращения имеет свое время прохождения этих 4-х кардинальных точек. В прецессионном вращении кардинальная точка «сжатия» имеет самый короткий момент времени своего прохождения этой точки, а кардинальная точка «растяжения» будет иметь самый продолжительный момент времени прохождения этой точки. Это так называемые подобные точки «перигелия» и «афелии» прецессионного вращения. Именно в этих кардинальных точках «гайка-барашек» переходит с одной стороны на другую, или с внешней стороны на внутреннюю или со внутренней на внешнюю. При таком переходе ось вращения «гайки-барашека» совершает переворот на 180 градусов.

Литература

1. https://yandex.ru/video/preview/2060418282005257576

2. https://online.mephi.ru/courses/physics/osnovi_mehaniki/data/lecture/7/p4.html

3. https://yandex.ru/video/preview/15267501092043724789 (проект ученика)

4. https://online.mephi.ru/courses/physics/osnovi_mehaniki/data/lecture/7/p4.html (опыт с коробкой)

5. К. Захаров, Всемирный потоп. Физика явления, кинофильм, 2018,

6. https://drive.google.com/file/d/1-os8pkd3mZ5T22uH0EmuqiP4CEIF-0be/view

7.А. и А. Вотяковы, Теоретическая география или о грядущей катастрофе, М. 1998

8.. Интернет, видео материалы по запросу «видео эффекта Джанибекова»: https://youtu.be/LzVItPwiQyI)

9.https://www.youtube.com/watch?v=y1zyEPK5bQM

10. Л. Ландау, Е. Лифшиц, Механика, Теоретическая физика том 1, М. 1958

11.«Демонстрация замедленного действия эффекта Джанибекова с ракетками для настольного тенниса» . https://ru.abcdef.wiki/wiki/Tennis_racket_theorem

12. https://slon-p.livejournal.com/37719.html (для интересного прочтения, потом убрать)

13. https://www.yandex.ru/video/preview/1035927111871437759 (разоблачение эффекта Дж)

14. https://www.yandex.ru/video/preview/7621314242804717625

Размещено на Allbest.ru