网球拍效应与欧拉动力学方程

本文授权转载自公众号“万象经验”，作者：Eugene Wang

1985年，为了拯救当时出现故障的苏联空间站礼炮七号，派出了两名宇航员进行抢修。在完成任务之后，其中一名宇航员贾尼别科夫打开了从地球带来的物资。这些物资是用一个翼型螺母锁紧的，当这个螺母被松开并继续在空间站漂浮旋转的时候，贾尼别科夫发现它会周期性地掉转180度。后来，这个现象被称为贾尼别科夫效应。

事实上，我们在地球上也能重现该效应。以网球拍为例，我们人为地给它设定三个相互垂直的主轴：一是沿着把柄的主轴，二是垂直于把柄并在网的平面内的主轴，三是垂直于把柄和网的主轴。当我们让网球拍绕着一或三主轴旋转并把它抛入空中时，拍子的旋转是稳定的，它只会绕着初始轴旋转。当我们让网球拍绕二主轴旋转并抛入空中时，它的运动是不稳定的，最后会演变成绕着三个轴旋转。所以，贾尼别科夫效应又叫作网球拍效应或中间轴效应。

在1991年的时候，一篇公开发表的文章才解释了这种效应。我也看过一些解释这种效应的科普文章和视频，他们要么用纯文字进行解释，要么直接给出欧拉动力学方程的结果进行解释。今天，我们从推导欧拉动力学方程开始，逐步给出这种效应的解释。

欧拉动力学方程推导

首先，我们要知道力矩和角动量的关系。如果你已经忘了，那么我们可以回想一下力和动量的关系：力等于动量对时间的导数。同样，力矩等于角动量对时间的导数。

等式的左边是力矩M，我们可以直接写出它的分量形式。

等式的右边是角动量对时间求导，虽然它计算比较复杂，但我们仍然可以写出分量形式。

接下来这里有一个问题，后三项是基本矢量随时间的变化，它们取决于我们所取的坐标系。在这里，我们所取的是刚体坐标系。在刚体坐标系下，基本矢量是随着刚体的旋转而旋转，所以基本矢量随时间的变化就是角速度ω叉乘这个基本矢量。如果还不明白，可以想想高中时是怎么推导圆周运动的加速度。

根据矢量叉乘的法则，最后一项我们可以写成以下形式。

现在，整个式子变得非常复杂，但是如果我们代入角动量、角速度和转动惯量的关系，式子就会变得非常简单。在惯量主轴下，转动惯量不会随着旋转变化，我们有以下关系：

把它代入上面的式子，最终我们会得出这样的结果：

最后，我们让每个分量的力矩和每个分量的角动量对时间求导相等，就得到著名的欧拉动力学方程。

网球拍效应解释

解释网球拍效应一个很重要的点是理论与现实的差距。理论上，我们可以让网球拍绕任何一个轴稳定转动，而绕另外两个轴转动的角速度永远是零。但现实中，我们无法做到这一点，总是会有一些扰动破坏这种理想状态。现在，我们要研究的是，给了微小扰动之后，这个扰动会不会被放大。

我们假设转动惯量1>转动惯量2>转动惯量3，并且网球拍抛到空中后没有任何力矩。首先研究绕主轴1旋转的情况，此时ω1恒定，它对时间的导数也基本为零，而ω2和ω3受到扰动而出现微小的角速度。现在，对欧拉动力学方程的第二个方程求导，并把第三个方程代入其中，我们可以得到：

根据转动惯量的大小，我们可以知道k<0，是我们很熟悉的波动方程，微小的扰动成正弦变化不会被放大，因此绕主轴1旋转是稳定的。同样的道理，我们也可以得出绕主轴3的转动是稳定的，这里就不再计算。

但是，当绕主轴2旋转时，同样的道理我们可以得到：

此时，我们知道k>0，因此扰动会被放大，角速度会增加。也就是说绕主轴2的转动是不稳定的，一个小扰动就会使网球拍发生翻转。
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编辑：千鸟