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在博文 “ 运动员的旋空翻与欧拉-潘索运动 ” 中,对欧拉情形刚体定点运动的永久转动稳定性得出了结论。即刚体绕最大和最小惯性矩主轴的永久转动稳定,绕中间值惯性矩主轴的永久转动不稳定。两个世纪以来,经典力学的这一结论从未被怀疑过。但 1958 年 1 月 31 日,美国发射的第一颗人造卫星探险者一号(Explorer-1)的倾覆事件却动摇了这一结论。
为便于说明,钱柜777娱乐老虎机:首先对自旋稳定的人造卫星做些解释。人造卫星在绕地球的轨道运行过程中,必须保持稳定的姿态才能完成各种探测任务。按照上述欧拉情形刚体永久转动稳定性的结论,如果令卫星绕最大或最小惯性矩主轴旋转,且转动轴沿轨道面的法线方向,就能与轨道面的法线轴始终保持一致,而不会在轨道内翻滚。利用刚体绕惯性主轴的永久转动保证姿态稳定的卫星称为 “ 自旋卫星 ” (spin satellite)。
1957 年 10 月 4 日,原苏联发射了世界上第一颗人造地球卫星斯普特尼克一号(Sputnik-1),是带有四根天线的自旋稳定的篮球形状轴对称体(图1)。卫星的极惯性矩略大于赤道惯性矩,绕极轴的永久转动的稳定性得到了保证。
(a) C > A, C > B (b) C < A,C < B
如上所述,无力矩作用的刚体如存在阻尼因素,只有绕最大惯性矩主轴的永久转动是稳定的。绕最小惯性矩主轴的转动或许能暂时稳定住,但随着阻尼因素的持续作用,稳定性最终也会丧失。从而总结出“最大轴原则”:
存在阻尼因素的刚体绕最大惯性矩主轴的永久转动稳定,绕最小和中间值惯性矩主轴的永久转动不稳定。
遵循此原则,自旋卫星此后再也不会出现绕最小惯性矩主轴旋转的错误设计。值得庆幸的是,我们居住的地球是一个略扁的椭球,极惯性矩 C = 8.036 ×1037 kg˖m2 略大于赤道惯性矩 A = 8.010 ×1037 kg˖m2。正因为绕极轴的自转运动符合最大轴原理,地球才能为人类提供一个稳定安全的家园。
(改写自:刘延柱. 趣味刚体动力学(第2版),北京:高等教育出版社,2018:3.2节)
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GMT+8, 2020-12-8 15:40
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