Техника - молодёжи 1957-06, страница 28

Знаете ли вы, что есть волчки, которые не вращаются, — сказал доктор технических наук, профессор Дмитрий Сергеевич Пельпор, — и что замечательное свойство волчка — способность сохранять свое положение в пространстве не абсолютное и не исключительное его свойство? Строго говоря, любой предмет, даже простое полено, если оно подвешено без трения в центре тяжести, будет сохранять то направление, которое ему однажды дано. Силы, которые мы будем прикладывать к подвесу, смогут перемещать центр тяжести в любом направлении. Но откуда же возьмется сила, поворачивающая полено, если нет трения в подвесе?

Все преимущество волчка заключается в том, что, вращаясь, он активно сопротивляется воздействию резких толчкоз, поворачивающих его ось. А это зависит от гироскопического момента. В этом моменте и скрывается разгадка всех свойств волчка.

Проявление гироскопического момента можно наблюдать на простом опыте с велосипедным колесом (рисунок на цветной таблице вверху). Раскрутив велосипедное колесо и резко повернув руль, мы почувствуем, что он вырывается у нас из рук. Значит, появилось усилие, направление которого перпендикулярно направлению той силы, которую мы приложили к рулю при его вращении.

Чтобы разобраться, откуда появляется такое усилие, рассмотрим движение четырех материальных точек обода, расположенных на равных расстояниях друг от друга. При повороте руля векторы скоростей точек 1 и 3 поворачиваются, а векторы 2 и 4 только сдвигаются, не меняя направления.

Как известно, при сочетании вращения .с поступательным движением возникает особое ускорение, называемое поворотным. Происхождение его легко понять, представив, что от оси к ободу по спице равномерно вращающегося колеса с постоянной скоростью ползет муха. Относительно колеса она ползет без ускорения, но ведь крайние точки его движутся быстрее, чем те, которые ближе к оси. Поэтому по мере приближения к ободу муха движется все быстрее и быстрее. Значит, абсолютное движение ее является ускоренным и направление ускорения, возникающего вследствие вращения, перпендикулярно направлению движения мухи. Но раз есть ускорение, значит есть и сила, которая действует в направлении ускорения и вызывает его. А по третьему закону Ньютона всякое действие вызывает противодействие, то есть появляется сила реакции, равная приложенной, но направленная в противоположную сторону.

Теперь вернемся к велосипедному колесу,

Как мы выяснили, при повороте руля векторы скоростей 1 и 3 поворачиваются, точки 1 и 3 приобретают ускорение, и, следовательно, возникают реактивные силы, направленные в стороны, противоположные этим ускорениям. Они действуют на колесо и образуют инерционный реактивный момент. Это и есть гироскопический момент.

Если ось волчка отклонилась от направления вертикали и сила тяжести стремится опрокинуть волчок, он не падает, так как его ось под влиянием гироскопического момента начинает вращаться вокруг направления вертикали. Это явление называется прецессией.

У природных волчков — таких, например, как наш земной шар или элементарные частицы в атомах вещества, — тоже возникает прецессия. У элементарных частиц она называется спином.

Интересно, что как только мы снимаем силу, отклоняющую ось волчка, прецессионное движение оси прекращается тотчас же. Всякое другое материальное тело продолжало бы двигаться по инерции, а у оси волчка движение по инерции выражается лишь мелким дрожанием — нутацией.

Гироскопический момент можно наблюдать не только на волчке. Если взять два вибрирующих стержня, которые параллельно укреплены на поворотной площадке, и поворачивать эту площадку, мы получим прибор гиротрон, которому тоже свойствен гироскопический момент. Это яв

24

ление впервые было обнаружено у одной экзотической мухи, дрожащие усики которой позволяют ей выдерживать направление полета в темноте. Гиротрон настолько точен, что с его помощью удается обнаружить колебания, совершаемые верхними этажами высотных зданий.

Но и волчок можно сделать весьма чувствительным прибором. Для этого его помещают в тяжелую жидкость, в которой он не тонет и не всплывает. И если обычный волчок позволяет обнаружить суточное вращение Земли, то «плавающий» волчок показывает даже такую ничтожную угловую скорость, с какой Земля вращается вокруг Солнца — один оборот в год.

Волчки входят составной частью во многие приборы. Установленные на самолете и корабле, они помогают двигаться вслепую, не видя ориентиров направления и вертикали. Между прочим, птица, для которой воздух — родная стихия, не имеет органа, подобного волчку, и не может летать с завязанными глазами.

Справа на цветной таблице показаны некоторые гироскопические приборы. Вот, например, гирополукомпас — прибор, показывающий отклонение самолета от заданного курса. Его действие основано на свойстве волчка сохранять положение оси в пространстве при быстрых воздействиях внешних сил. Маятник (1) удерживает в горизонтальном положении рамку (2) ротора (3). При этом конец маятника скользит по реостату (4), электрические сигналы, пропорциональные его отклонениям, передаются на привод (5), вращающий вертикальную рамку (6). Видимое движение вертикальной рамки, которое на самом деле есть движение самолета относительно неподвижной рамки, мы наблюдаем на шкале (7) —-оно показывает, насколько самолет отклонился от курса.

Ось волчка при длительном воздействии силы отклоняется в сторону, перпендикулярную ее направлению, хотя интуитивно мы ожидаем движения в направлении этой силы (на схеме перечеркнуто). Это объясняется действием гироскопического момента.

Исходя из первого свойства волчка, мы ожидаем, что вращающийся снаряд будет сохранять положение своей оси вращения. На самом деле острым концом снаряд всегда направлен примерно по касательной и траектории. Оказывается, сила сопротивления воздуха (вектор 1) действует на вращающийся снаряд и вызывает гироскопический момент (вектор 2), который заставляет ось снаряда вращаться (прецессировать) вокруг касательной (3).

Гироскопический момент используется в случае, когда волчок должен измерять угловые скорости. Если ось вращающегося волчка поворачивается в направлении, указанном на схеме стрелкой, то она отклоняется от первоначального направления в положение, показанное пунктиром. При этом величина отклоняющего момента соответствует угловой скорости вращения. Так работает гиротахометр. Его ротор (1) вращается вокруг неподвижного статора (2). Когда вся система вращается по стрелке, рамка (3) отклоняется, Эти отклонения уравновешиваются пружиной (4) и замеряются с помощью роостата (5). Собственные колебания рамки гасятся с помощью электромагнитного демпфера (6).

Существуют и многие другие гироскопические приборы — гирокомпасы, гиромагнитные компасы, гировертикали и ги-рогоризонты. Гироскопические пилоты на самолетах и рулевые на кораблях работают точней и быстрей, чем люди-рулевые.

И только один вид приборов, который иногда связывают со свойствами волчка, не имеет с ними ничего общего. Это так называемые «гиродвигатели», или «гироаккумуляторы». Они имеют обычно массивный маховик, который раскручивают: на троллейбусе во время остановки, в ветродвигателе— когда есть ветер, а потом заставляют маховик приводить в движение электрогенераторы. Тут используется обычное свойство маховика — аккумулировать кинетическую энергию, а гироскопический момент, который может проявиться у маховика, является вредным, нежелательным явлением.