网球拍也能当“天宫课堂”的平替道具？ | 正经玩

给你一只网球拍——

能不能在地球上，

让它们像天宫课堂里的扳手一样，

“转着转着突然翻个跟头”？

实验器材

网球拍、彩色贴纸、手机（必须套上厚手机壳，强烈建议在床上操作）、乒乓球拍、（鼓掌拍）、所标杯

实验步骤

第一步：

给网球拍“贴标签”。将网球拍平放在桌面上，选定拍面的一侧贴上较大、颜色鲜艳的贴纸，标记“这是正面”。

第二步：

单手握住拍柄，让拍面水平并且正面朝上。下图红色虚线大致标注出过球拍质心、与拍柄垂直且位于拍面内的轴线——网球拍的第二惯性主轴。

第三步：

抛起网球拍，使它大致绕该轴线旋转一周，拍柄重新落回手中。观察它在空中的翻身。拍子一开始看起来好像稳稳地围绕那根轴转着，过了一小段时间，却突然整把翻了个身，变成了反面朝上。

第四步：

换成手机，再抛一次。手机在空中转着转着，也突然来了个“掉头”。

第五步：

用乒乓球拍或鼓掌拍做同样尝试。也会出现“看着挺稳，忽然翻身”的行为。

原理解说

在分析网球拍、手机、乒乓球拍的“翻转”现象时，暂不考虑花纹、材质等细节，而是把它们视为刚体，只关心质量在空间中的分布。对任意刚体，都可以找到三条互相垂直的质心惯性主轴，对应三个转动惯量，分别表示刚体绕这三条轴转动时的惯性大小。可以参考网球拍示意图：在简化模型上标出沿拍柄方向的一条轴（蓝色）、垂直拍面的一条轴（绿色）和沿拍面短边方向的一条轴（红色），这三条轴互相垂直，对应三个不同的转动惯量。质量分布整体离轴线越远对应的转动惯量越大，因此三个主轴对应的转动惯量（I）大小排序为：I>I>I.

分析表明，当刚体主要绕转动惯量最大或最小的主轴旋转时，哪怕有微小扰动，角速度矢量仅会小幅振动，转动状态始终稳定，刚体始终围绕接近原始的主轴转动。相反，当刚体绕第二惯性主轴旋转时，极小扰动就会被角动量守恒规律放大，导致转动方向突然翻转，呈现出看似违反直觉的变向。

1985年，苏联航天员贾尼别科夫在空间站进行实验时，观察到一颗蝴蝶形螺母绕自身某一特定轴旋转时，会在没有任何外力干扰的情况下，突然发生 180 度翻转，之后继续保持旋转，且这种翻转会周期性重复，这一现象后来被称为贾尼别科夫效应，也称网球拍定理或中间轴定理。天宫课堂中，航天员用扳手演示了类似现象：扳手在微重力环境下绕其中一条主轴旋转时非常稳定，绕另一条轴旋转时会出现掉头现象。在地面上，网球拍、手机和乒乓球拍会受到重力和空气阻力的影响，但在快速旋转的情况下，外力干扰相对较小，由于中间轴旋转的不稳定性，仍会出现自发翻转的现象——只不过地球环境中的空气阻力、重力矩会让翻转的周期性变弱、持续时间变很短，不如太空中那样清晰持久。

空间站中扳手做周期性的"掉头"

当我们刻意让它们主要绕第二惯性主轴（中间主轴）旋转时，就会观察到类似空间站和天宫课堂中的掉头现象：在慢动作回放中，贴纸或屏幕朝向先在某个方向附近变化较小，然后在某一时间段内迅速偏转到相反方向。