Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Препринт / История техники
Начало сайта / Препринт / История техники

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Биологически активные

Загадки простой воды

Крушение парадоксов

Превращение элементов

Приключения великих уравнений

Физики продолжают шутить

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Волчок и компас

 

Среди детских игрушек есть одна, которая заслуживает самого серьезного внимания со стороны исследователя законов природы – это волчок. Эта игрушка обладает целым рядом удивительных свойств, и ученые не мало потрудились над их объяснением. Первое из этих свойств волчка – его способность сохранять равновесие в таком положении, в каком всякое другое тело неизбежно должно упасть. В более общем виде это свойство можно формулировать так: вращающийся волчок стремится сохранить неизменным положение своей оси.

В обыденной жизни мы часто бессознательно пользуемся этим свойством вращающихся тел. Чтобы пояснить это, мы позволим себе привести здесь отрывок из популярных лекций английского ученого, проф. Перри, – лекций, специально посвященных свойствам волчка.

«Вот волчок, который лежит на плоской дощечке. Я подбрасываю его в воз-дух: вы видите, что проследить его движение трудно, и никто не мог бы предсказать наперед, в каком положении он упадет обратно на дощечку: – он может упасть своим острым концом и вперед, и назад, и в сторону. Но если я предварительно заверчу его и тогда подброшу его вверх, то уже не может быть никаких сомнений относительно того, в каком положении он вернется: ось его вращения все время остается параллельна сама себе, и я могу подбрасывать его несколько раз кряду, почти не изменяя его вращательного движения.

«Если я подброшу вверх этот бисквит (рис. 2), то вы видите, что я не могу знать заранее, к а к он упадет обратно; но если перед тем, как выпустить его из рук, я приведу его во вращение, – то на этот счет не останется никакого сомнения. Вот шляпа; я подбрасываю ее вверх, и не знаю, в каком положении она упадет обратно; но если я раньше сообщу ей вращение, то ось, вокруг которой она вращается, останется (как и у волчка, и у бисквита) параллельной сама себе, и вы можете быть уверены, что, в данном случае, шляпа упадет на пол полями вниз. Очень резко выступает этот принцип при игре с диаболом: было бы совершенно невозможно поймать диабол, если бы он не находился в быстром вращательном движении. Подхлестывая диабол бечевкой, играющий сообщает ему вращение, благодаря, чему он и сохраняет неизменное положение полета.

«Однажды я показывал некоторые из моих опытов перед публикой в концертной зале. Я старался заинтересовать моих слушателей, насколько мог, вышеописанными явлениями и рассказывал о том, что плоскому диску надо сообщить вращение, если его желают бросить так, чтобы возможно было заранее указать, как он упадет; точно так же поступают, если желают кому-нибудь бросить обруч или шляпу так, чтобы тот мог поймать их палкой. Далее я объяснил моим слушателям, что, отполировав гладко дуло пушки, никогда нельзя рассчитывать на точность прицела; вследствие этого и делают нарезные дула, т.е. вырезывают на внутренней стороне дула спиральные желобы, в которые приходятся выступы ядра, так что последнее получает вращательное движение, когда сила взрыва заставляет его двигаться по дулу пушки; благодаря этому, ось вращения снаряда (как у шляпы или бисквита) во время его полета остается параллельной сама себе... Это было все, что я мог сделать во время моей лекции, так как я не обладаю ловкостью в метании шляп или дисков. Но когда я кончил лекцию, на подмостки выступили два жонглера, – и я не мог пожелать лучшей иллюстрации к своей лекции, нежели та, которую давал каждый фокус этих артистов. Они бросали друг другу вращающиеся шляпы, обручи, тарелки, зонтики. Один из жонглеров кидал в воздух целый ряд ножей, ловил их и опять подбрасывал вверх. Моя аудитория, только что прослушавшая объяснение этих явлений, ликовала от удовольствия и заявляла, что она замечает вращение, которое жонглер сообщал каждому ножу, выпуская его из руки, так что он мог быть спокоен относительно того, в каком положении ножи вернуться к нему... Словом, почти все жонглерские фокусы, показанные в этот вечер, представляли иллюстрацию объясненного выше принципа. Если вы все еще не убеждены в его правильности, то спросите ребенка, когда его обруч легче опрокидывается: тогда ли, когда он катится быстро, или когда движется медленно? Спросите у велосипедиста, когда ему легче удержать равновесие – при медленной или при скорой езде? Спросите балетную танцовщицу, долго ли бы могла она устоять на носке, если бы не кружилась; спросите у астронома сколько месяцев земная ось сохраняла бы неизменное направление относительно Полярной звезды, если бы земля не вращалась...»

Кроме этого, более и менее обще-известного, свойства, у волчка есть и еще одно, – пожалуй еще более замечательное. Оно состоит в следующем: если ось волчка заставить вращаться вокруг другой оси, то первая ось стремится занять положение параллельное второй, и при том так, чтобы оба вращательных движения имели одинаковое направление. Отсюда следует, что так как наш земной шар постоянно находится в вращательном движении, то все волчки и вообще все вращающиеся тела, видимые нами на земле, имеют стремление поставить свою ось параллельно земной оси, – т.е. направить ее к Полярной звезде. «С чувством изумления обыкновенно узнают впервые том, – пишет Перри, – что все вращающиеся тела (как, напр., маховые колеса паровых машин и т.п.) постоянно стремятся повернуть свою ось по направлению к Полярной звезде; это непосредственное стремление вращающихся тел остается тщетным, хотя, они и рвутся со своих подставок к предмету своих стремлений»...

Но если мы подвесим волчок так, чтобы ось его могла свободно изменять свое положение, то стремление это не останется тщетным, а осуществится. Если при обычных условиях мы не замечаем этого стремления, то только оттого, что оно резко проявляется лишь при очень быстром вращении: вращающееся тело должно совершать несколько тысяч оборотов в секунду, чтобы мы могли заметить его стремление направить свою ось к Полярной звезде.

Этим свойством быстро вращающихся волчков и воспользовались инженеры, чтобы приготовить ком-пас без магнита. Компас такого рода представляет собой волчок, чрезвычайно быстро вращающийся вокруг оси. Последняя, собственно, и играет роль стрелки магнитного компаса; она может двигаться лишь в горизонтальной плоскости и, следовательно, стремясь стать параллельно земной оси, займет положение как раз по линии север-юг.

На рис. 6 изображена модель, наглядно объясняющая употребление безмагнитного компаса. Вы видите волчок (гироскоп), который можно закрепить в любом месте медного обруча-меридиана, охватывающего глобус. Ось волчка нарочно продолжена и сделана в виде большой стрелы, чтобы движения ее были резче. Волчок приводится в быстрое вращательное движение при помощи электричества (провод виден и на рисунке). Сила тяжести заменена здесь резиновыми шнурками, протянутыми от оси волчка к глобусу. Пока глобус не вращается, ось волчка может занижать любое положение; но как только «земля» приходить в вращательное движение, ось волчка начинает раскачиваться и успокаивается лишь тогда, когда станет параллельно меридиану, – т.е. направится с юга на север. Для моряка такой безмагнитный компас представляет огромные удобства. Во-первых, он показывает не на магнитный, а на географический полюс; во-вторых, для него не существует никаких «склонений», с которыми постоянно приходится считаться, пользуясь магнитным компасом. В третьих, – положение его не зависит от близости железных масс, которые так влияют на магнитный компас. Это последнее преимущество очень важно для военных судов, с их гигантскими пушками, толстой стальной броней и электромоторами.

В настоящее время уже около 50 судов (главным образом, германского флота) снабжены такими безмагнитными компасами. Мы не будем входить здесь в описание деталей их устройства; они не существенны для неспециалиста, а идея их, надеемся, достаточно ясна из предыдущего. Укажем лишь, что компасы-волчки делают до 20.000 оборотов в минуту, т.е. около 330 в секунду (земля делает почти столько же в год!)

Между прочим, компас-волчок дает нам новое и при том прямое доказательство вращения земли: если бы земной шар не вращался, движения оси компаса-волчка были бы необъяснимы. С помощью этого маленького прибора мы могли бы убедиться в вращательном движении нашей планеты даже в том случае, если бы никогда не видели неба, а были бы погребены в какой-нибудь подземной пещере... Как упростилась бы задача гениального Галилея, если бы он был знаком с этим замечательным свойством гироскопа!

Надо вообще заметить, что волчок таит в себе не мало загадок, разрешение которых может сыграть важную роль в технике будущего. И нужно прямо удивляться, что такие важные принципы до сих пор оставались неиспользованными.

 

Источник информации:

«Природа и Люди».
Иллюстрированный журнал науки, искусства и литературы. 1912, №15

Дата публикации:

17 февраля 1999 года

Электронная версия:

© НиТ. Препринт, 1997

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2017
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика