扳手为什么会调头？

○席金合

神舟十四号航天员陈冬曾在“天宫”空间站里，向全国广大观众演示了一个扳手自动调头的实验，让大家看得目瞪口呆。对于这种奇怪现象，物理知识有限的朋友们，感到实在不可思议！

陈冬拿起一个T 字形扳手，先让它以柄杆中心线为轴旋转，此时扳手基本保持左右旋转，不会调头。可是，当他让扳手以与T 字横线平行的直线为轴旋转，也就是上下翻转时，扳手竟然边转边调头，准确地说是左右翻身了：标有红色的端头，一会儿在左边，一会儿又跑到右边，来回变换。为什么会这样呢？

对此，陈冬没有过多解释，只是简单地介绍说，与扳手质量在空间的分布有关。

蝶形螺母自由旋转时会变换方向

实际上，这种奇怪的现象早在1985 年就已被苏联宇航员弗拉基米尔·贾尼别科夫发现了。当时，他正在维修部件，意外发现一个蝶形螺母在掉落过程中，居然会自动变换方向旋转。他觉得很不正常，于是用T 字形扳手等工具进行试验，重复了好几次，都会出现这种情况。精通物理学的贾尼别科夫对此惊奇不已，担心是飞船所在太空环境的引力场出现了异常变化。他当即报告地面站。

苏联宇航局的专家们得知后，大吃一惊。因为一个物体沿着轴线旋转时，如果不受外力作用，旋转方向不会发生改变，地球就是这样绕地轴稳定旋转的。他们思来想去，产生了情况不妙的推测：地球自转过程中是否会发生南北两极颠倒呢？果真这样，人类岂不迎来了“世界末日”。

当时，众多科学家都未能弄清其中的奥秘，为了避免引起不必要的社会恐慌，便将这种怪象作为一个秘密保守了10 年。这一现象后来被称为“贾尼别科夫效应”。

只怪当时的信息传播技术不够发达，其实，早在1834 年，这种现象就被法国数学家路易斯·庞索记录在案。在地面做物体旋转实验时，同样会出现这种情况，只是受重力影响，旋转体早早就落了下来，不易被人发现而已。

“贾尼别科夫效应”包含的科学原理究竟是什么呢？要弄清这个问题，必须先明白一个动力学概念——转动惯量。简单地说，转动惯量就是坚硬的物体（刚体）从静止到转动或从转动到静止的难易程度。刚体转动惯量大，则难以转起来或停下来；转动惯量小，则容易转起来或停下来。转动惯量的大小，与刚体的质量和分布及转轴位置有关。

用转动惯量来描述“贾尼别科夫效应”就是：刚体绕穿过质心的最大或最小转动惯量对应的轴自由旋转时是稳定的，而绕穿过质心的其他轴（转动惯量位于最大最小之间）自由旋转时是不稳定的。

至于为什么会这样，涉及复杂的方程式计算，在此不再详解。

回到陈冬所做的实验。

T 字形扳手分别绕x、y、z轴旋转时，转动惯量各不同。当它绕x轴前后旋转时，转动惯量最小，最容易转起来；当它绕y轴上下旋转时，转动惯量适中，较容易转起来；当它绕z轴左右旋转时，转动惯量最大，最不容易转起来。

当扳手绕x轴旋转时，整个转动过程稳定，扳手没有自行调头（陈冬已演示）。这种情况类似于陀螺在平坦的地面上旋转。

当扳手绕z轴旋转时（陈冬没有演示这一情况），扳手仍然可以稳定转动，不会自行翻转。

而当扳手绕y轴旋转时，与上述两种情况不一样，扳手旋转的同时还会进行左右翻转。因为，这时的转动惯量在最大和最小之间。

1991 年，一个研究团队发表了一篇名为《扭转的网球拍》的论文，解释了网球拍绕不同的轴转动时稳定或发生翻转的现象，与“贾尼别科夫效应”异曲同工。因此这个原理又被称为“网球拍定理”。

值得一提的是，苏联科学家曾担心的地球两极颠倒的情况不可能发生。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，地球自转的轴就是它的最大转动惯量轴，这确保了地球自转的相对稳定。而且，地球并不能被视为刚体，它的表面有大量海水，内部也有大量液体，这些都让地球自转更稳定。此外，月球对地球的潮汐引力也帮助地球自转更稳定。

“贾尼别科夫效应”在实际生活和有关领域中有很大应用价值。如重要的飞行器（如飞机、人造卫星等）或某些关键设备部件，如需稳定旋转，就要选择合适的轴，并且根据上述原理，避免翻转失控情况发生，提高飞行或设备运行的安全性。