文章專區

Take Home Message
．賈尼別科夫效應是指一個不受外力矩作用的物體，若沿著中間主轉動軸旋轉，在旋轉過程中可能會突然翻轉180 度。此現象是由蘇聯太空人賈尼別科夫在太空中觀察到螺帽翻轉現象而發現。
．此效應符合角動量守恆定律。物體翻轉時，角動量的方向仍保持不變，改變的是物體本身的姿態。對於具有三個不同主轉動軸的物體，沿最長軸或最短軸旋轉較穩定，沿中間主軸旋轉則為不穩定狀態，即使是微小的擾動也可能導致姿態翻轉。
．並非只能在太空中觀察到賈尼別科夫效應。生活周遭的長方體物體，在空中沿不同軸向旋轉拋出，也有機會觀察到中間主軸旋轉時的翻轉現象。

胡旋女，胡旋女。心應弦，手應鼓。
弦鼓一聲雙袖舉，迴雪飄颻轉蓬舞。
左旋右轉不知疲，千匝萬周無已時。
人間物類無可比，奔車輪緩旋風遲。
白居易 〈胡旋女〉

神祕封存十多年的太空機密

賈尼別科夫（Vladimir Dzhanibekov）是一位現年84歲的俄國人，他是常使用扳手的汽車維修員？或曾是被汽車維修耽誤的足球選手？所以才會在足球場上玩弄扳手？不！賈尼別科夫其實是前蘇聯太空人，執行過五次太空任務，可算是一位太空維修員。1985年2月，前蘇聯的禮炮7號太空站（Salyut 7）與地面失去聯絡，賈尼別科夫搭乘聯盟T-13號太空船（Soyuz T-13）升空前往救援，他在太空中，成功發現失聯的禮炮7號。賈尼別科夫當時靠手動操作與太空站完成了對接，成功維修太空站後，再搭乘太空船安全返回地球。這段歷史被改編成電影《星際失控》（Salyut 7），於2017年在俄國發行上映。

在維修太空站過程中，賈尼別科夫發現一個有趣的現象。在太空站的失重環境下，他擰開一個翼形螺帽（wing nut），在沒有外力的影響下，螺帽轉著轉著，會反過來轉，接著又翻轉回來（圖一），讀者可以上網看類似的影片。一個螺帽的旋轉和陀螺類似，如果我們在太空中看到一個陀螺轉著轉著，就倒了過來，本身就是一個值得研究的物理課題，但在當時的政治與資訊環境下，這類現象的公開解釋會相當謹慎，因此這個又被稱為賈尼別科夫效應（Dzhanibekov Effect），被列為國家機密長達十年。

剛體的旋轉

賈尼別科夫效應是屬於一種古典力學中的動力學現象，早在1834 年，法國物理學家及數學家波因索（Louis Poinsot）就已知曉，20世紀著名的一本由戈爾茨坦（Herbert Goldstein）撰寫的古典力學（Classical Mechanics）教科書中也有介紹，而我們現在又稱這個現象為網球拍定理（tennis racket theorem） 或中間軸理論（intermediate axis theorem）。該理論描述的是一個具有三個不同主轉動慣量（principal moment of inertia）的剛體（rigid body）運動。

何謂剛體？簡單來說就是一個硬梆梆的固體。我們知道一般物體分固體、液體和氣體，氣體就是可以任意變換外型，體積很容易改變，而液體是外型可以改變，體積變化不大，固體則是外型不變，體積不變。水就是典型液體的例子，我們可以用任意形狀的杯子裝水，但結成固體的冰則不能填滿任意形狀的杯子。嚴格來說，剛體是物理學中一個理想化的概念，剛體在運動或受力後，形狀、大小和內部各點間的相對位置都保持不變（硬梆梆），不過真實情況並不存在剛體，固體受強外力，多少會有些改變。

剛體受外界的作用力會移動或轉動，例如撞球桿對著撞球（可以看作剛體）撞擊施力時，撞球就會依照牛頓運動定律前進，如果撞擊點沒有落在撞球的正中心（質心），撞球除了會直線前進外，還會旋轉。而所謂質心指的是多質點系統的質量中心，我們可以將一個撞球看成許多質點的組合，若對撞球的質心位置施力，剛體會沿著力的方向運動，但並不會旋轉。一旦偏了，就會有旋轉，旋轉快慢程度和撞球本身有關，也和撞擊時的力矩有關。我們可以將這旋轉行為用方程式表示，這類似運動定律 P=mv，物體運動的動量P等於物體質量m和速度v 的乘積，如果動量固定，物體質量越大，物體的速度越小。而物理旋轉的角動量也有類似的形式L=I ，角動量L 等於轉動慣量I 和角速度 的乘積，當角動量固定不變，轉動慣量愈大的物體，角速度就愈小，也就轉得慢。例如花式溜冰選手做出旋轉動作（圖二），當手展開時，轉動慣量大，旋轉慢，手收起來時，轉動慣量變小，旋轉就變快。

左邊選手雙手收起，旋轉快；右邊是選手在張開雙手後，旋轉變慢。（作者提供）