Τι κοινό έχουν μια γάτα, ένας αθλητής του καλλιτεχνικού πατινάζ που περιστρέφεται και το Ηλιακό μας Σύστημα;

“Τη διατήρηση της στροφορμής τους” θα σας απαντούσε οποιοσδήποτε φυσικός! Επειδή όμως ίσως να μην ξέρουμε τι είναι η στροφορμή, ας ξεκινήσουμε πολύ απλά.

Πώς καταφέρνουν οι γάτες να προσγειώνονται πάντα στα πόδια τους; Σε γενικές γραμμές μπορούν να περιστρέφουν με διαφορετική ταχύτητα το πίσω και μπροστινό μέρος του κορμιού τους, απλώνοντας ή συμπτύσσοντας  τα άκρα τους, τεντώνοντας ή μαζεύοντας το κορμί τους (Εικόνα 1). Είναι η ίδια αρχή που μπορεί να περιστρέψει, αργά ή γρήγορα, έναν αθλητή/αθλήτρια στο καλλιτεχνικό πατινάζ ή έναν αθλητή ενόργανης σε ασκήσεις εδάφους ή έναν αθλητή καταδύσεων κατά την πτώση από το βατήρα! Κατά τη διάρκεια περιστροφής, το “άπλωμα” του κορμιού και των άκρων μειώνει τη στροφική ικανότητα, ενώ η σύμπτυξη άκρων και τέντωμα κορμιού, την αυξάνει (Εικόνα 1) [1-4]! 

Τι ακριβώς είναι όμως η στροφική ικανότητα; Αρχικά σκεφτείτε ότι αυτό το “άπλωμα” ή η σύμπτυξη γίνεται ως προς έναν άξονα στροφής. Η κατανομή της μάζας του περιστρεφόμενου σώματος ως προς τον άξονα αυτόν διαμορφώνει τη στροφική ικανότητα του σώματος. Αν η κατανομή μάζας είναι μεγαλύτερη κοντά στον άξονα (σύμπτυξη), αυξάνεται η στροφική ικανότητα, ενώ μειώνεται στην αντίθετη περίπτωση (τέντωμα). Το μέγεθος που εκφράζει την κατανομή της μάζας ως προς τον άξονα στροφής ονομάζεται ροπή αδράνειας (I), ενώ το μέγεθος που περιγράφει τη γρήγορη ή αργή περιστροφή ονομάζεται γωνιακή ταχύτητα (ω). Στα προηγούμενα παραδείγματα η μικρότερη ροπή αδράνειας (τεντωμένο κορμί/συμπτυγμένα άκρα) δίνει μεγαλύτερη τιμή γωνιακής ταχύτητας (γρηγορότερη περιστροφή), συγκρινόμενη με τη μεγαλύτερη ροπή αδράνειας. Αν πολλαπλασιάσουμε το Ι και το ω το γινόμενο τους παραμένει σταθερό και το φυσικό μέγεθος που προκύπτει από αυτό ονομάζεται στροφορμή (L)! H διατήρηση φυσικών μεγεθών, είναι πολύ διαδεδομένη στη φύση και στην επιστήμη το ονομάζουμε νόμο ή αρχή διατήρησης! Στη συγκεκριμένη περίπτωση, έχουμε την αρχή/νόμο διατήρησης της στροφορμής.

Ο νόμος αυτός έχει καθολική ισχύ. Παίζει κυρίαρχο ρόλο στον σχηματισμό αστεριών και πλανητικών σωμάτων, μέχρι και τη δημιουργία γαλαξιών. 

Πέντε δισεκατομμύρια χρόνια πριν ένας δίσκος σκόνης και αερίων περιστρεφόταν αργά γύρω από τον κεντρικό του άξονα (Εικόνα 2, αριστερά). Η βαρύτητα, ως κυρίαρχη δύναμη σε τέτοιες αστρονομικές κλίμακες αναλαμβάνει δράση και μεταδίδει τη στροφορμή προς το κέντρο της καταρρέουσας συστάδας, σχηματίζοντας ένα σφαιρικό πυρήνα, έναν πρωταστέρα! Καθώς το κινούμενο νέφος άρχισε να αυξάνει την ταχύτητά του (όπως ο παγοδρόμος, αφού “συμπτύσσεται” προς το κέντρο), η βαρύτητα και η αδράνεια το μετέτρεψαν σε έναν πρωτο-πλανητικό δίσκο (δίσκος συσσώρευσης ή προσαύξησης), με κατεύθυνση κάθετη προς τον άξονα περιστροφής του. Η περισσότερη μάζα συγκεντρώθηκε στο μέσον του μορφώματος, ενώ μικρό-ανωμαλίες που οφείλονταν σε συγκρούσεις με κομμάτια άλλων πρωτο-πλανητών διαμόρφωσαν την περιφέρεια του διαπλασσόμενου νεφελώματος. Ο πρωταστέρας και οι πρωτο-πλανήτες εξελίχθηκαν σε ένα κεντρικό άστρο με οκτώ κύριους πλανήτες να περιστρέφονται γύρω από αυτό (Εικόνα 2, αριστερά). Ο ένας από αυτούς τους πλανήτες, σήμερα, χρειάζεται 365 μέρες για να περιστραφεί γύρω από το άστρο του και 24 ώρες για να ολοκληρώσει μία ιδιοπεριστροφή – ναι, σωστά καταλάβατε, μιλάμε για τη Γη μας! [5,6]. 

Αυτή σε πολύ γενικές γραμμές είναι η απλοποιημένη ιστορία  του Ηλιακού μας Συστήματος, όπου η διατήρηση και η μεταφορά της στροφορμής έπαιξαν και παίζουν καθοριστικό ρόλο. Ο  Ήλιος μας, εκτελεί και αυτός, μία ιδιοπεριστροφή που ολοκληρώνεται σε ένα μήνα περίπου. Πέντε δισεκατομμύρια χρόνια από σήμερα ο Ήλιος θα εξαντλήσει τα πυρηνικά καύσιμά του, θα διογκωθεί σε ένα ερυθρό γίγαντα, καθιστώντας (δυστυχώς) αφιλόξενο για ζωή τον πλανήτη μας, καταλήγοντας σε ένα περιστρεφόμενο λευκό νάνο (Εικόνα 2, δεξιά)! Η ακτίνα του αστρικού “κουφαριού” θα είναι 100 φορές μικρότερη από τη σημερινή, περίπου ίση με του δικού μας πλανήτη των μερικών χιλιάδων χιλιομέτρων. Αυτή η αστρική σύμπτυξη θα αυξήσει τη γωνιακή ταχύτητα (και πυκνότητα!) του περιστρεφόμενου νάνου, όπως στην αθλήτρια ή τη γάτα. Ο χρόνος για να εκτελέσει μία περιστροφή γύρω από τον άξονα του θα μειωθεί κατά χιλιάδες φορές!   

Αυτός, “ο κόσμος ο μικρός, ο μέγας”, διέπεται από κανονικότητες, συμμετρίες και νόμους διατήρησης. Η διατήρηση στροφορμής αποτελεί μία συμπαντική νομοτέλεια!                                         

Ενδεικτικές πηγές- Βιβλιογραφία