神州14太空授课扳手神奇翻转的原理

以下是作者真实授课的板书。标题是自由刚体的转动。其中知识点是刚体绕最大和最小转动惯量轴旋转,刚体旋转保持稳定。对应下图,右下角椭球上下左右四个白点。绕着中间轴转不稳定,即所画的红线所示。这就是视频中看到的情况。细心的读者可以发现,刚体的旋转角动量在惯性坐标系保持不变。刚体的中间转动惯量轴正向,进行180度反复翻转,旋转方向也同时翻转。

再引申一步,对非刚体,绕最小转动惯量轴转也是不稳定的。美国第一颗卫星,Explore 1,就发生了90度翻转。初始时是绕最小转动惯量轴转的,由于有天线耗能,最终绕最大转动惯量轴转了。证明要繁琐一些,不像以下板书那么简单明了,概念性强。

一些相关的术语,刚体,角动量,角动能,转动惯量,差积,欧拉方程,惯性主轴,对角化,线性化,稳定性,特征值,特征向量,刚体坐标系,惯性系等。这门课是大三或四航天专业课,学过大二理论力学的都能理解。如果用爱因斯坦喜欢用的并,矢 ,斜对称阵等概念,表述更简洁。

神州14太空授课扳手神奇翻转的原理

绕中间转动惯量轴旋转不稳定原理

神州14太空授课扳手神奇翻转的原理

红轴中间转动惯量轴,对应上图右下椭球红线

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