網球拍也能當“天宮課堂”的平替道具？ | 正經玩

給你一只網球拍——

能不能在地球上，

讓它們像天宮課堂里的扳手一樣，

“轉著轉著突然翻個跟頭”？

實驗器材

網球拍、彩色貼紙、手機（必須套上厚手機殼，強烈建議在床上操作）、乒乓球拍、（鼓掌拍）、所標杯

實驗步驟

給網球拍“貼標簽”。將網球拍平放在桌面上，選定拍面的一側貼上較大、顏色鮮艷的貼紙，標記“這是正面”。

單手握住拍柄，讓拍面水平并且正面朝上。下圖紅色虛線大致標注出過球拍質心、與拍柄垂直且位于拍面內的軸線——網球拍的第二慣性主軸。

第三步：

拋起網球拍，使它大致繞該軸線旋轉一周，拍柄重新落回手中。觀察它在空中的翻身。拍子一開始看起來好像穩穩地圍繞那根軸轉著，過了一小段時間，卻突然整把翻了個身，變成了反面朝上。

第四步：

換成手機，再拋一次。手機在空中轉著轉著，也突然來了個“掉頭”。

第五步：

用乒乓球拍或鼓掌拍做同樣嘗試。也會出現“看著挺穩，忽然翻身”的行為。

原理解說

在分析網球拍、手機、乒乓球拍的“翻轉”現象時，暫不考慮花紋、材質等細節，而是把它們視為剛體，只關心質量在空間中的分布。對任意剛體，都可以找到三條互相垂直的質心慣性主軸，對應三個轉動慣量，分別表示剛體繞這三條軸轉動時的慣性大小。可以參考網球拍示意圖：在簡化模型上標出沿拍柄方向的一條軸（藍色）、垂直拍面的一條軸（綠色）和沿拍面短邊方向的一條軸（紅色），這三條軸互相垂直，對應三個不同的轉動慣量。質量分布整體離軸線越遠對應的轉動慣量越大，因此三個主軸對應的轉動慣量（I）大小排序為：I>I>I.

分析表明，當剛體主要繞轉動慣量最大或最小的主軸旋轉時，哪怕有微小擾動，角速度矢量僅會小幅振動，轉動狀態始終穩定，剛體始終圍繞接近原始的主軸轉動。相反，當剛體繞第二慣性主軸旋轉時，極小擾動就會被角動量守恒規律放大，導致轉動方向突然翻轉，呈現出看似違反直覺的變向。

1985年，蘇聯航天員賈尼別科夫在空間站進行實驗時，觀察到一顆蝴蝶形螺母繞自身某一特定軸旋轉時，會在沒有任何外力干擾的情況下，突然發生180 度翻轉，之后繼續保持旋轉，且這種翻轉會周期性重復，這一現象后來被稱為賈尼別科夫效應，也稱網球拍定理或中間軸定理。天宮課堂中，航天員用扳手演示了類似現象：扳手在微重力環境下繞其中一條主軸旋轉時非常穩定，繞另一條軸旋轉時會出現掉頭現象。在地面上，網球拍、手機和乒乓球拍會受到重力和空氣阻力的影響，但在快速旋轉的情況下，外力干擾相對較小，由于中間軸旋轉的不穩定性，仍會出現自發翻轉的現象——只不過地球環境中的空氣阻力、重力矩會讓翻轉的周期性變弱、持續時間變很短，不如太空中那樣清晰持久。

空間站中扳手做周期性的"掉頭"

當我們刻意讓它們主要繞第二慣性主軸（中間主軸）旋轉時，就會觀察到類似空間站和天宮課堂中的掉頭現象：在慢動作回放中，貼紙或屏幕朝向先在某個方向附近變化較小，然后在某一時間段內迅速偏轉到相反方向。

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編輯：二分 & Chocobo