神十四太空授课，航天员做“扳手翻转”实验，曾被苏联保密10年？

神舟十四号飞行乘组的三位航天员在繁忙的空间站工作之余，又为在地球上翘首期待的孩子们准备了一堂生动的太空授课。“天宫课堂”课程中会演示一个有趣的物理现象：“会掉头的扳手”——旋转的T字形扳手在没有外力干扰的情况下，它会自己掉头翻转。

你知道吗？这个现象是苏联宇航员最早发现的，为了避免引发“世界末日”的恐慌，科学家将其保密了十年！

T字形扳手在旋转过程中自动翻转

1985年6月，苏联宇航员弗拉基米尔·贾尼别科夫（Vladimir Dzhanibekov）乘坐联盟T-13飞船进入太空，他将在礼炮-7号空间站执行三个半月的太空任务。在空间站里拆卸一个货包时，他轻轻弹了紧固螺母的一只“兔耳朵”，看着螺母旋转着飞向空中。

在太空飞行的兔耳朵螺母

照平时，宇航员会很快伸手抓住螺母并将它装进裤兜里，这是他的第五次太空旅程，拆货包的任务很繁重，干活越快越好，并且螺母在失重状态下飞行早已是司空见惯了。然而贾尼别科夫发现了一个奇怪的现象：紧固螺母并没有按一个状态往前飞，而是转几圈后翻了一个身，然后再转几圈又翻一个身，每一次翻转差不多都是180度！

螺母在旋转时不停“翻身”

在没有外力作用下，螺母绕轴翻转是一种“异常”表现。于是他将螺母拧回去再试，还掏出另一只螺母重复做这个实验，发现结果是一样的：螺母会在旋转飞行的过程中不断翻转。

在成为宇航员之前，贾尼别科夫曾在列宁格勒大学攻读物理学，他意识到这种现象可能与螺母的重心偏离中轴线有关。于是他用橡皮泥捏了一颗球，在球的一端粘了个金属螺帽来改变重心，再将它旋转起来。结果橡皮泥球也跟紧固螺母一样，每转几圈就翻转180度，如此往复。

用橡皮泥捏的球旋转时也会翻身

贾尼别科夫将他观察到的现象报告给了苏联宇航局，科学家们大吃一惊，认为非同小可，决定对这件事严格保密。此后几年里，苏联科学家一直密切留意美国宇航员是不是也发现了这个神秘现象。

为什么苏联科学家如临大敌，要对一个新发现的太空物理现象如此惶恐呢？

因为大家都知道一个常识——我们的地球也像那颗橡皮泥球，它一刻不停地在旋转，并且地球也是一颗不均匀、不规则的球体。如果橡皮泥球会在没有外力作用下突然“翻身”，那么地球南北极会不会也在未来某一天猛地掉个儿？翻江倒海，巨浪滔天，那将是一场毁灭性的灾难！

如果地球翻身将带来毁灭

为了不引起世人的恐慌，科学家们决定在没有完全搞清楚原理之前，先把这件事压下来，不告诉任何人，并且一瞒就瞒了十年！

直到90年代后期，人们才知道这个“秘密”其实早在150年前就被发现，法国数学家路易斯·庞索1834年还把它写进了书里，只是在地球重力环境下不容易观察到罢了。随后“贾尼别科夫效应”被正式公开，称作“贾尼别科夫定理”或“中间轴定理”。

中间轴定理还有个名字叫“网球拍定理”，但这个网球拍把许多人搞晕，因为它跟我们在太空观察到的螺母翻转很不一样。

用网球拍演示“网球拍定理”

当你将网球拍（或者乒乓球拍）的拍面水平朝上向上扔，让它沿着拍框底部中轴线旋转，在完成360度空翻后接住它，会发现拍面在空中发生了侧向旋转（白色面朝上变成了红色朝上）。尽管你在抛起球拍时没有“拧手柄”的动作，球拍依然做的是“后空翻转体180度”而非“后空翻”！

中间轴定理中的“中间轴”并非指外部形状的“对称轴”，而是绕重心旋转时，转动惯量介于“最大惯量”与“最小惯量”之间的轴。正因为如此，网球拍绕球拍的轴（下图左的X轴）旋转是稳定的，因为此时它的转动惯量最小；而T形扳手绕X轴旋转最不稳定，因为它的转动惯量比Z轴大比Y轴小。

在这里，网球拍的Y轴是中间轴，T形扳手的X轴是中间轴。

中间轴不是“中间的轴”

在苏联公开“贾尼别科夫效应”之后，各国宇航员在太空就地取材做了大量实验，有用T字形扳手的：

T字形扳手翻转

有用带柄螺栓的：

带柄螺栓翻转

还有用剪线钳的：

钳子也会因旋转而翻转

看着这些小东西在空中翻来翻去挺有趣，我们的航天员在工作间隙也会拿工具试一试，然而看起来叶光富的尝试遇到了“挫折”。或许是他那个T字形扳手的杆比较长、手柄又很轻，在旋转时处于最小惯量，所以它不会“翻跟斗”。

飞行中的子弹能保持稳定，也因为它的自转轴是最小惯量轴，并且子弹的飞行时间很短。

叶光富的T形扳手不会翻转

那么，我们需要担心哪一天地球的南北极突然对调吗？

别看地球24小时才转一圈，它的角速度不快，但地球表面的切线速度可一点都不慢。地球赤道周长达到40075公里，如果你在新加坡，一秒钟就被带着“走”463米，超过340米/秒的音速！假如地球也像贾尼别科夫捏的橡皮泥球那样突然翻转，不仅会掀起滔天巨浪，连地壳都会掀翻，那绝对是一场灭顶之灾。

与叶光富的板手不同，地球的自转轴是最大惯量轴。因为地球是一个两极稍扁、赤道略鼓的椭球体，赤道半径比极半径长约22千米，这确保了地球自转的相对稳定。

严格地讲，地球不是一个理想的自转体，它表面不平滑，有高山、平原、峡谷和海沟，有人说它像大鸭梨。但你要是把地球的比例缩小到篮球那么大，就会发现它其实比篮球要光滑许多；地球不是理想的刚体，它的内核包裹着几千公里厚的铁水，地幔也是有弹性的；地球表面大约有70%的面积被海水覆盖，海洋也是地球自转的天然“稳定器”；在距离我们38万公里的地方，月球对地球的潮汐引力也是地球稳定自转的重要因素。

所以你大可不必担心地球突然反转。